Cachemechanismen

CacheMechanismen bezeichnet eine Gruppe von Techniken zur Beschleunigung des Datenzugriffs, indem Kopien von häufig benötigten Daten in schnellerem Speicher nahe dem Verwendungsort abgelegt werden. Das Ziel ist es, Latenzen zu reduzieren, Bandbreite zu sparen und die Gesamtsystemleistung zu verbessern.

Zentrale Konzepte sind die Cache-Hierarchie (L1-, L2- und in vielen Systemen L3-Cache), das Prinzip der Lokalität (zeitliche und räumliche Lokalität) sowie Cache-Linien, die Dateneinheiten darstellen. Ein Zugriff ergibt einen Cache-Hit, andernfalls einen Cache-Miss, woraufhin Daten aus einer langsameren Ebene nachgeladen werden.

Cache-Strategien umfassen Schreibmethoden wie Write-through und Write-back sowie Ersetzungsalgorithmen wie LRU, LFU oder FIFO. Durch Prefetching und andere Vorabruftechniken lassen sich häufige Zugriffe vorausschauend laden, um Trefferquoten zu erhöhen.

Bei Mehrkern- oder Mehrprozessor-Systemen regulieren Cache-Kohärenzprotokolle die Konsistenz von Daten in mehreren Caches. Bekannte Protokolle sind MESI (Modified, Exclusive, Shared, Invalid)–Varianten, MOESI und verwandte Ansätze, die sicherstellen, dass Neuzugriffe konsistent bleiben.

Cache-Typen umfassen CPU-Caches (L1/L2/L3), Festplatten- oder Kernel-Puffer-Caches, Browser-Caches sowie Content-Delivery-Networks (CDNs) und Anwendungs-Datenbank-Puffer. Cache-Invalisierung erfolgt oft über TTLs, explizite Anweisungen oder Statusänderungen, um veraltete Daten zu vermeiden.

Wichtige Leistungskennzahlen sind Trefferquote (Hit Rate), Miss-Rate und die durchschnittliche Zugriffslatenz. Die Wahl von Replacern, Schreibstrategien und Konsistenzprotokollen beeinflusst Sparpotenziale und Komplexität.