CacheSpeicherung

CacheSpeicherung bezeichnet die temporäre Speicherung von Daten in einem schnellen, näher am Zugriffspunkt liegenden Speicherbereich, um wiederholte Zugriffe zu beschleunigen und die Kosten für Speicherzugriffe oder Netzverkehr zu senken. Sie beruht auf dem Prinzip der Lokalität: Wer einmal Daten benötigt, wird sie oft erneut verwenden, daher lohnt sich ein schneller Zugriff auf Kopien der Daten.

In Computersystemen existieren mehrere Cache-Ebenen. Der bekannteste Bereich ist der CPU-Cache, typischerweise in L1, L2 und L3 gegliedert. Caches speichern Daten in Cache-Lines, also Blöcke aus mehreren Bytes. Die Zuordnung von Daten zu Cache-Speicher erfolgt durch Mapping-Methoden: direkt abgebildet (direct-mapped), vollständig assoziativ oder set-assoziativ. Wird eine gesuchte Zeile nicht gefunden, spricht man von einem Cache-Miss; bei einem Treffer von einem Cache-Hit. Für jeden Fall entscheiden Ersatzpolitik wie LRU, FIFO oder LFU, welche Zeile verworfen wird, um Platz zu schaffen. In Mehrkernprozessoren sorgen Cache-Kohärenzprotokolle (z. B. MESI) dafür, dass Änderungen in einem Cache konsistent in anderen Caches sichtbar werden.

Neben CPU-Caches gibt es weitere Anwendungsbereiche der Cache-Speicherung: Webbrowser- und Proxy-Caches speichern Ressourcen wie HTML, CSS oder Bilder, um Webseiten schneller zu laden; Festplatten- oder Dateisystem-Caches halten häufig verwendete Blöcke bereit; GPU-Caches optimieren Grafik- und Berechnungsvorgänge. Die Gültigkeit von Cache-Einträgen wird durch TTL, Invalidation oder Aktualisierung aus dem Backing Store sichergestellt.

Leistungskriterien sind Trefferquote, Miss-Rate, Latenz und Bandbreite. Cache-Speicherung erhöht Reaktionsgeschwindigkeit, reduziert Netzlast und steigert Durchsatz, birgt jedoch Risiken wie veraltete Daten, erhöhte Komplexität und potenzielle Sicherheitsaspekte (z. B. Seitenkanäle).