ذاكرة التخزين المؤقت (الحوسبة)

يجب في النهاية نقل عمليات الكتابة المخزنة مؤقتًا إلى وحدة التخزين الأساسية. ويخضع توقيت ذلك لسياسة الكتابة . وسياستا الكتابة الرئيسيتان هما: ^{[ 3 ]}

• الكتابة المباشرة : تتم عمليات الكتابة بشكل متزامن لكل من ذاكرة التخزين المؤقت ووحدة التخزين الأساسية.
• الكتابة المؤجلة : في البداية، تتم الكتابة إلى ذاكرة التخزين المؤقت فقط. ويتم تأجيل الكتابة إلى وحدة التخزين الأساسية حتى يتم استبدال المحتوى المعدل بكتلة تخزين مؤقت أخرى.

يُعدّ تنفيذ ذاكرة التخزين المؤقت للكتابة المؤجلة أكثر تعقيدًا، إذ يتطلب تتبع المواقع التي تم الكتابة عليها ووضع علامة عليها كبيانات مُعدّلة لكتابتها لاحقًا في وحدة التخزين الأساسية. تُكتب البيانات في هذه المواقع إلى وحدة التخزين الأساسية فقط عند إخراجها من ذاكرة التخزين المؤقت، وهي عملية تُعرف بالكتابة المؤجلة . لهذا السبب، قد يتطلب خطأ القراءة في ذاكرة التخزين المؤقت للكتابة المؤجلة عمليتي وصول إلى وحدة التخزين الأساسية: الأولى لكتابة البيانات المُعدّلة، والثانية لاسترجاع البيانات المطلوبة. قد تُفعّل سياسات أخرى أيضًا عملية الكتابة المؤجلة للبيانات. قد يُجري العميل العديد من التغييرات على البيانات في ذاكرة التخزين المؤقت، ثم يُخطر ذاكرة التخزين المؤقت صراحةً بكتابة البيانات.

لا تُعيد عمليات الكتابة بيانات. وبالتالي، يجب اتخاذ قرار بشأن حالات عدم العثور على البيانات في الذاكرة المؤقتة: ما إذا كان سيتم تحميل البيانات في الذاكرة المؤقتة أم لا. ويتم تحديد ذلك من خلال سياسات عدم العثور على البيانات التالية :

• تخصيص الكتابة (يُسمى أيضًا جلب البيانات عند الكتابة ): يتم تحميل البيانات الموجودة في موقع الكتابة الفائت إلى الذاكرة المؤقتة، متبوعةً بعملية كتابة ناجحة. في هذه الطريقة، تكون أخطاء الكتابة مماثلة لأخطاء القراءة.
• تخصيص بدون كتابة (يُسمى أيضًا الكتابة بدون تخصيص أو الكتابة حول الموقع ): لا يتم تحميل البيانات الموجودة في موقع الكتابة المفقودة إلى الذاكرة المؤقتة، بل تُكتب مباشرةً إلى وحدة التخزين الأساسية. في هذه الطريقة، يتم تحميل البيانات إلى الذاكرة المؤقتة عند فشل القراءة فقط.

بينما يمكن لكلا سياستي الكتابة تنفيذ أي من سياستي الكتابة والخطأ، فإنهما عادة ما يتم إقرانهما على النحو التالي: ^{[ 4 ] [ 5 ]}

• تستخدم ذاكرة التخزين المؤقت للكتابة عادةً تخصيص الكتابة، متوقعة أن عمليات الكتابة أو القراءة اللاحقة لنفس الموقع ستستفيد من وجود البيانات بالفعل في ذاكرة التخزين المؤقت.
• تستخدم ذاكرة التخزين المؤقت للكتابة المباشرة تخصيصًا بدون كتابة. في هذه الحالة، لا توجد ميزة للكتابات اللاحقة، حيث لا يزال يتعين كتابتها مباشرةً إلى وحدة التخزين الأساسية.

قد تُغيّر جهات أخرى غير ذاكرة التخزين المؤقت البيانات في قاعدة البيانات الأساسية، وفي هذه الحالة قد تصبح النسخة الموجودة في ذاكرة التخزين المؤقت قديمة أو غير محدّثة . وبالمثل، عندما يُحدّث العميل البيانات في ذاكرة التخزين المؤقت، ستصبح نسخ تلك البيانات في ذاكرات التخزين المؤقت الأخرى قديمة. وترتبط بروتوكولات الاتصال بين مديري ذاكرة التخزين المؤقت، والتي تحافظ على اتساق البيانات، بتماسك ذاكرة التخزين المؤقت .

في حالة عدم قراءة البيانات من الذاكرة المؤقتة، تقرأ الذاكرات المؤقتة التي تعتمد سياسة الترحيل حسب الطلب الحد الأدنى من البيانات من وحدة التخزين الأساسية. يقرأ تطبيق نموذجي للذاكرة الافتراضية بتقنية الترحيل حسب الطلب صفحة واحدة من الذاكرة الافتراضية (غالبًا 4  كيلوبايت) من القرص إلى ذاكرة التخزين المؤقت للقرص في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). يقرأ المعالج المركزي النموذجي سطرًا واحدًا من ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثاني (L2) بحجم 128  بايت من ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) إلى ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثاني (L2)، وسطرًا واحدًا من ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول (L1) بحجم 64  بايت من ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثاني (L2) إلى ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول (L1).

تتجاوز ذاكرة التخزين المؤقت المزودة بقائمة انتظار إدخال مسبقة أو سياسة ترحيل استباقية عامة ذلك، فهي لا تكتفي بقراءة البيانات المطلوبة فحسب، بل تتوقع أيضًا أن الجزء التالي أو الجزأين التاليين من البيانات سيحتاجان إليها قريبًا، وبالتالي تقوم بترحيل تلك البيانات مسبقًا إلى ذاكرة التخزين المؤقت. يُعد الترحيل الاستباقي مفيدًا بشكل خاص عندما يكون لدى وحدة التخزين الأساسية زمن استجابة طويل لقراءة الجزء الأول وأوقات أقصر بكثير لقراءة الأجزاء القليلة التالية بالتتابع، مثل وحدة التخزين القرصية وذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM).

تتجاوز بعض أنظمة التشغيل ذلك باستخدام مُحمِّل يقوم بتحميل الملف التنفيذي بالكامل مسبقًا في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). بل إن بعض ذاكرات التخزين المؤقت تتجاوز ذلك، فلا تكتفي بتحميل الملف بالكامل مسبقًا، بل تبدأ أيضًا بتحميل ملفات أخرى ذات صلة قد تُطلب قريبًا، مثل ذاكرة التخزين المؤقت للصفحات المرتبطة بجلب الملفات مسبقًا ، أو ذاكرة التخزين المؤقت للويب المرتبطة بجلب الروابط مسبقًا .

يمكن للذاكرة الصغيرة الموجودة على وحدة المعالجة المركزية أو بالقرب منها أن تعمل بسرعة أكبر من الذاكرة الرئيسية الأكبر حجمًا . ^{[ 6 ]} استخدمت معظم وحدات المعالجة المركزية منذ ثمانينيات القرن الماضي ذاكرة تخزين مؤقتة واحدة أو أكثر، وأحيانًا على مستويات متتالية ؛ وقد تحتوي المعالجات الدقيقة الحديثة عالية الأداء ، سواءً المدمجة أو المكتبية أو الخاصة بالخوادم، على ما يصل إلى ستة أنواع من ذاكرة التخزين المؤقت (بين المستويات والوظائف). ^{[ 7 ]} من أمثلة ذاكرة التخزين المؤقت ذات الوظيفة المحددة: ذاكرة التخزين المؤقت للبيانات (D-cache) ، وذاكرة التخزين المؤقت للتعليمات (I-cache) ، ومخزن البحث عن الترجمة لوحدة إدارة الذاكرة (MMU).

كانت وحدات معالجة الرسومات (GPUs) القديمة غالبًا ما تحتوي على ذاكرة تخزين مؤقت محدودة للقراءة فقط، وتستخدم تقنية التبديل لتحسين دقة تحديد المواقع ثنائية الأبعاد . وكان فقدان البيانات في ذاكرة التخزين المؤقت يؤثر بشكل كبير على الأداء، كما في حالة عدم استخدام تقنية رسم الخرائط متعددة المستويات (mipmapping ). وكان التخزين المؤقت ضروريًا للاستفادة من عمليات نقل البيانات ذات 32 بت (وأكثر) لبيانات النسيج التي كانت غالبًا لا تتجاوز 4 بتات لكل بكسل.

مع تطور وحدات معالجة الرسومات (GPUs) ودعمها للحوسبة العامة على وحدات معالجة الرسومات ونوى الحوسبة ، تطورت ذاكرات التخزين المؤقت فيها لتصبح أكبر حجمًا وأكثر عمومية، بما في ذلك ذاكرات تخزين مؤقت للتعليمات الخاصة بالمظللات ، والتي تُظهر وظائف شائعة في ذاكرات التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية (CPU). وقد نمت هذه الذاكرات لتشمل التعامل مع عمليات التزامن الأساسية بين الخيوط والعمليات الذرية ، والتفاعل مع وحدة إدارة الذاكرة (MMU) على غرار وحدة المعالجة المركزية.

شهدت معالجات الإشارات الرقمية تعميماً مماثلاً على مر السنين. استخدمت التصاميم السابقة ذاكرة مؤقتة يتم تغذيتها من خلال الوصول المباشر إلى الذاكرة ؛ أما معالجات الإشارات الرقمية الحديثة فغالباً ما تتضمن مجموعة مشابهة جداً من ذاكرات التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية (على سبيل المثال ، بنية هارفارد المعدلة مع ذاكرة تخزين مؤقت مشتركة من المستوى الثاني، وذاكرة تخزين مؤقت منفصلة من المستوى الأول للتعليمات وذاكرة تخزين مؤقت للبيانات). ^{[ 8 ]}

تحتوي وحدة إدارة الذاكرة (MMU) التي تجلب مدخلات جدول الصفحات من الذاكرة الرئيسية على ذاكرة تخزين مؤقتة متخصصة، تُستخدم لتسجيل نتائج ترجمة العناوين الافتراضية إلى عناوين فعلية . تُسمى هذه الذاكرة المؤقتة المتخصصة مخزن البحث عن الترجمة (TLB). ^{[ 9 ]}

تُعدّ الشبكات المرتكزة على المعلومات (ICN) منهجًا لتطوير بنية الإنترنت التحتية، مُحوّلةً إياها من نموذجٍ يتمحور حول المضيف، قائم على الاتصال الدائم ومبدأ الاتصال من طرف إلى طرف ، إلى بنية شبكية يكون محورها المعلومات المُحددة. ونظرًا لقدرة التخزين المؤقت المُتأصلة في عُقد شبكة ICN، يُمكن اعتبارها شبكةً مُترابطةً بشكلٍ فضفاض من ذاكرات التخزين المؤقت، ما يستلزم متطلباتٍ فريدة لسياسات التخزين المؤقت. مع ذلك، يُشكّل التخزين المؤقت المُنتشر للمحتوى تحديًا لحماية المحتوى من الوصول غير المُصرّح به، الأمر الذي يتطلب عنايةً وحلولًا إضافية. ^{[ 10 ]}

على عكس خوادم البروكسي، تُعدّ ذاكرة التخزين المؤقت في شبكات المعلومات المتكاملة (ICN) حلاً على مستوى الشبكة. ولذلك، تتميز بحالات تخزين مؤقت متغيرة بسرعة ومعدلات وصول طلبات أعلى؛ علاوة على ذلك، تفرض أحجام ذاكرة التخزين المؤقت الأصغر متطلبات مختلفة على سياسات إزالة المحتوى. وعلى وجه الخصوص، يجب أن تكون سياسات إزالة المحتوى في شبكات المعلومات المتكاملة سريعة وخفيفة. وقد تم اقتراح العديد من مخططات نسخ ذاكرة التخزين المؤقت وإزالتها لمختلف بنى وتطبيقات شبكات المعلومات المتكاملة.

بينما تُدار ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية بشكل عام بالكامل بواسطة المكونات المادية، فإن مجموعة متنوعة من البرامج تُدير أنواعًا أخرى من ذاكرة التخزين المؤقت. أما ذاكرة التخزين المؤقت للصفحات في الذاكرة الرئيسية، فتُدار بواسطة نواة نظام التشغيل .

على الرغم من أن مخزن البيانات المؤقت للقرص ، وهو جزء لا يتجزأ من محرك الأقراص الصلبة أو محرك الحالة الصلبة، يُشار إليه أحيانًا بشكل مُضلل باسم ذاكرة التخزين المؤقت للقرص ، إلا أن وظائفه الرئيسية هي ترتيب عمليات الكتابة وجلب البيانات المسبق للقراءة. غالبًا ما تحتوي وحدات التحكم المتطورة للأقراص على ذاكرة تخزين مؤقت مدمجة خاصة بها لكتل ​​بيانات محرك الأقراص الصلبة.

أخيرًا، يمكن لمحرك الأقراص الصلبة المحلي السريع تخزين المعلومات المخزنة على أجهزة تخزين بيانات أبطأ، مثل الخوادم البعيدة ( ذاكرة التخزين المؤقت للويب ) أو محركات الأشرطة المحلية أو أجهزة تشغيل الأقراص الضوئية ؛ ويُعد هذا المخطط المفهوم الأساسي لإدارة التخزين الهرمي . كما يمكن استخدام محركات الأقراص الصلبة ذات الحالة الثابتة (SSD) السريعة القائمة على ذاكرة الفلاش كذاكرة تخزين مؤقت لمحركات الأقراص الصلبة ذات الوسائط الدوارة الأبطأ، حيث تعمل معًا كوحدات تخزين هجينة .

تستخدم متصفحات الويب وخوادم بروكسي الويب ، سواءً كانت محلية أو لدى مزود خدمة الإنترنت ، ذاكرة التخزين المؤقت لتخزين الاستجابات السابقة من خوادم الويب، مثل صفحات الويب والصور . تقلل ذاكرة التخزين المؤقت من كمية المعلومات التي يجب نقلها عبر الشبكة، حيث يمكن إعادة استخدام المعلومات المخزنة مسبقًا في ذاكرة التخزين المؤقت. وهذا بدوره يقلل من متطلبات النطاق الترددي ومعالجة البيانات لخادم الويب، ويساعد على تحسين سرعة استجابة الموقع لمستخدمي الويب. ^{[ 14 ]}

يُعدّ التخزين المؤقت من نوع P2P شكلاً آخر من أشكال التخزين المؤقت ، حيث تُخزّن الملفات الأكثر طلباً من قِبل تطبيقات الند للند في ذاكرة تخزين مؤقتة لدى مزود خدمة الإنترنت لتسريع عمليات نقل البيانات بين الند للند. وبالمثل، توجد بدائل لامركزية مماثلة، تسمح للمجتمعات بأداء المهمة نفسها لحركة مرور P2P، على سبيل المثال، كوريلي. ^{[ 15 ]}

يمكن لذاكرة التخزين المؤقت تخزين البيانات التي تُحسب عند الطلب بدلاً من استرجاعها من قاعدة بيانات أساسية. التخزين المؤقت هو أسلوب تحسين يخزن نتائج استدعاءات الدوال التي تستهلك موارد كثيرة في جدول بحث، مما يسمح للاستدعاءات اللاحقة بإعادة استخدام النتائج المخزنة وتجنب الحساب المتكرر. وهو مرتبط بمنهجية تصميم خوارزميات البرمجة الديناميكية ، والتي يمكن اعتبارها أيضاً وسيلة للتخزين المؤقت.

شبكة توصيل المحتوى (CDN) هي شبكة من الخوادم الموزعة التي تقوم بتوصيل الصفحات ومحتويات الويب الأخرى إلى المستخدم، بناءً على المواقع الجغرافية للمستخدم، ومصدر صفحة الويب، وخادم توصيل المحتوى.

ظهرت شبكات توصيل المحتوى (CDNs) في أواخر التسعينيات كوسيلة لتسريع توصيل المحتوى الثابت، مثل صفحات HTML والصور والفيديوهات. من خلال نسخ المحتوى على خوادم متعددة حول العالم وتوصيله للمستخدمين بناءً على مواقعهم، تستطيع شبكات توصيل المحتوى تحسين سرعة وتوافر موقع الويب أو التطبيق بشكل ملحوظ. عندما يطلب المستخدم محتوىً ما، تتحقق شبكة توصيل المحتوى من وجود نسخة منه في ذاكرتها المؤقتة. إذا وُجدت، تقوم الشبكة بتوصيل المحتوى للمستخدم من الذاكرة المؤقتة. ^{[ 16 ]}

بوابة التخزين السحابي هي جهاز تخزين سحابي هجين يربط شبكة محلية بخدمة تخزين سحابي واحدة أو أكثر ، وعادةً ما تكون خدمات تخزين كائنات مثل Amazon S3 . توفر هذه البوابة ذاكرة تخزين مؤقتة للبيانات التي يتم الوصول إليها بشكل متكرر، مما يتيح الوصول المحلي عالي السرعة إلى هذه البيانات في خدمة التخزين السحابي. كما توفر بوابات التخزين السحابي مزايا إضافية، مثل الوصول إلى تخزين الكائنات السحابي عبر بروتوكولات خدمة الملفات التقليدية، بالإضافة إلى استمرار الوصول إلى البيانات المخزنة مؤقتًا أثناء انقطاع الاتصال. ^{[ 17 ]}

تُخزّن ذاكرة التخزين المؤقت لنظام أسماء النطاقات (DNS) خريطة لأسماء النطاقات وعناوين IP . ومن أمثلة الخدمات التي توفر هذه الذاكرات المؤقتة برنامج BIND ومكتبات محلل DNS للتخزين المؤقت .

تُعدّ عملية الكتابة المباشرة شائعة عند العمل عبر شبكات غير موثوقة ، نظرًا للتعقيد الهائل لبروتوكول التناسق المطلوب بين ذاكرات التخزين المؤقت المتعددة للكتابة المؤجلة عند عدم موثوقية الاتصال. على سبيل المثال، عادةً ما تكون ذاكرات التخزين المؤقت لصفحات الويب وذاكرات التخزين المؤقت من جانب العميل لأنظمة الملفات الموزعة (مثل تلك الموجودة في NFS أو SMB ) للقراءة فقط أو للكتابة المباشرة تحديدًا للحفاظ على بساطة بروتوكول الشبكة وموثوقيته.

تُتيح محركات البحث على الإنترنت في كثير من الأحيان صفحات الويب التي فهرستها من ذاكرتها المؤقتة . وقد يكون هذا مفيدًا عندما تكون صفحات الويب من خادم الويب غير متاحة مؤقتًا أو دائمًا.

يمكن أن يؤدي التخزين المؤقت لقواعد البيانات إلى تحسين إنتاجية تطبيقات قواعد البيانات بشكل كبير ، على سبيل المثال في معالجة الفهارس وقواميس البيانات ومجموعات البيانات الفرعية المستخدمة بشكل متكرر.

تستخدم ذاكرة التخزين المؤقت الموزعة ^{[ 18 ]} مضيفين متصلين بالشبكة لتوفير قابلية التوسع والموثوقية والأداء للتطبيق. ^{[ 19 ]} يمكن أن تكون المضيفين في موقع واحد أو موزعة على مناطق جغرافية مختلفة.

يُعد كل من Android Runtime و Common Language Runtime مثالين على استخدام ذاكرة التخزين المؤقت JIT القائمة على التخزين . ^{[ 20 ]}

تستخدم برامج تشغيل وحدة معالجة الرسومات عادةً ذاكرة تخزين مؤقتة للتظليل تعتمد على التخزين . ^{[ 21 ]}