Теоретический минимум по Computer Science

Можно было бы дальше увеличивать размер кэша L1 — выборка данных из ОЗУ тогда стала бы еще более редкой операцией, а время ожидания ЦП еще больше сократилось бы. Однако такое усовершенствование сопряжено с трудностями. Когда кэш L1 достигает размера около 50 Кб, его дальнейшее увеличение становится очень дорогостоящим. Куда лучшее решение состоит в том, чтобы сформировать дополнительный кэш памяти — кэш второго уровня, или кэш L2. Он будет медленнее, зато намного больше кэша L1 по объему. Современный ЦП имеет кэш L2 объемом около 200 Кб. Чтобы переместить данные из кэша L2 в регистры, требуется примерно 100 циклов процессора.

Рис. 7.11. Микрофотография процессора Intel Haskell-E. Квадратные структуры в центре — это кэш L3 объемом 20 Мб

Адреса, имеющие очень высокую вероятность доступа, мы копируем в кэш L1. Адреса с относительно высокой вероятностью — в кэш L2. Если адреса нет в кэше L1, процессор может попытаться найти его в кэше L2, и только если этот поиск закончится неудачей, ему придется обращаться к ОЗУ.

Многие производители теперь поставляют процессоры с кэшем L3: он больше и медленнее, чем L2, но по-прежнему быстрее ОЗУ. Кэши L1/L2/L3 имеют настолько важное значение, что занимают бо́льшую часть кремниевого пространства внутри микросхемы ЦП (рис. 7.11).

Использование кэшей L1/L2/L3 существенно увеличивает производительность компьютеров. Благодаря кэшу L2 емкостью 200 Кб менее 10 % запросов к памяти, которые делает ЦП, приходятся на выборку непосредственно из ОЗУ.

В следующий раз, когда вы пойдете покупать компьютер, не забудьте сравнить размеры кэшей L1/L2/L3 процессоров. Более хорошие ЦП будут иметь кэш большей емкости. Лучше взять ЦП с меньшей тактовой частотой, но с более объемным кэшем.

Первичная память против вторичной

Как показано на рис. 7.12, компьютер имеет разные типы памяти, организованные иерархически. Наиболее эффективные типы имеют ограниченную емкость и очень дорого стоят. Спускаясь по иерархии вниз, мы получаем больше памяти, но скорость доступа к ней становится все меньше.

После регистров ЦП и кэшей в иерархии памяти находится ОЗУ. Она отвечает за хранение данных и кода всех выполняющихся процессов. По состоянию на 2017 год компьютер обычно имеет ОЗУ емкостью от 1 до 10 Гб. Во многих случаях этого недостаточно, чтобы разместить операционную систему со всеми другими выполняющимися программами.

Рис. 7.12. Диаграмма иерархии памяти

В этих случаях приходится спускаться ниже по иерархической лестнице и использовать жесткий диск. По состоянию на 2017 год компьютеры обычно имеют жесткие диски емкостью в сотни гигабайт — этого более чем достаточно, чтобы уместить данные из всех выполняющихся программ. Когда ОЗУ заполнено, мы перемещаем временно не используемые данные на жесткий диск, чтобы высвободить немного оперативной памяти.

Но проблема в том, что жесткие диски работают чрезвычайно медленно. Как правило, на перемещение данных между диском и ОЗУ требуется миллион циклов ЦП — целая миллисекунда[82]. Может показаться, что это все равно быстро, но не забывайте: в то время как доступ к ОЗУ занимает всего 1000 циклов, на доступ к диску их уходит миллион. ОЗУ нередко носит название первичной памяти, а программы и данные, хранящиеся на жестком диске, являются вторичной памятью.

ЦП не может обращаться к вторичной памяти напрямую. Программы, которые хранятся во вторичной памяти, нужно скопировать в первичную — только тогда они будут исполнены. В действительности всякий раз, когда вы загружаете компьютер, даже операционную систему приходится копировать с диска в ОЗУ, прежде чем ЦП сможет ее выполнить.

Никогда не истощайте ОЗУ! Очень важно, чтобы все данные и программы, которыми компьютер управляет во время обычной работы, могли уместиться в его ОЗУ. В противном случае он будет постоянно перемещать их между диском и ОЗУ. Поскольку этот процесс очень медленный, производительность компьютера сильно падает, и он становится бесполезным. В таком случае он большую часть времени ждет, пока данные будут перемещены, вместо того чтобы выполнять фактические вычисления.

Когда компьютер постоянно перемещает данные с диска в ОЗУ, мы говорим, что он вошел в режим интенсивной подкачки. Эту ситуацию необходимо постоянно отслеживать — особенно в случае с серверами: если они начинают обрабатывать данные, не умещающиеся в ОЗУ, такой режим работы может вывести их из строя. Следствием этого, например, становится длинная очередь в банке или у кассового аппарата, — и оператору ничего не останется, кроме как валить все на сбой компьютерной системы. Недостаточный объем ОЗУ, возможно, является одной из главных причин отказа серверов.

Внешняя и третичная память