Was ist Cache

Der Begriff Cache beschreibt einen speziellen Speicherbereich in der Informatik, der dazu dient, den Zugriff auf häufig genutzte Daten zu beschleunigen. Man kann sich Cache wie einen Zwischenspeicher vorstellen, der zwischen der schnellen CPU und dem langsameren Hauptspeicher sitzt. Wenn Daten aus dem Cache abgerufen werden können, verkürzt sich die Zugriffszeit erheblich im Vergleich zu einem Abruf aus dem Hauptspeicher oder der Festplatte.Im Grunde genommen besitzt jede moderne Computersystemarchitektur einen oder mehrere Cache-Speicher. Diese können auf verschiedenen Ebenen existieren, zum Beispiel als L1-, L2- oder sogar L3-Cache. Gemein ist ihnen, dass sie alle das Ziel haben, die Effizienz und Geschwindigkeit der Recheneinheit zu steigern.Cache funktioniert üblicherweise nach dem Prinzip der Lokalität. Das bedeutet, dass Programme dazu neigen, auf Daten und Befehle zuzugreifen, die in der räumlichen Nähe zueinander im Speicher abgelegt sind. Indem häufig angeforderte Daten im Cache bereitgehalten werden, kann die Systemleistung spürbar verbessert werden.

Wie funktioniert Cache

Cache ist meist sehr schnell im Zugriff, weil er aus speziellem Speicher besteht, der näher an der CPU gelegen ist. Der Prozess des Cachings umfasst im Wesentlichen das Speichern einer Kopie von Daten aus dem Hauptspeicher.Beim Zugriff auf Daten wird zuerst der Cache durchsucht. Findet man die gesuchten Daten dort, spricht man von einem Cache-Hit. Andernfalls spricht man von einem Cache-Miss, und die Daten müssen aus dem langsameren Hauptspeicher oder der Festplatte abgerufen werden.Der Zugriff auf den Speicher wird dadurch optimiert, dass aktuelle und häufig benutzte Daten im Cache gespeichert werden. Die Cache-Hierarchie umfasst in der Regel mehrere Schichten. Der L1-Cache ist am kleinsten, aber auch der schnellste. Weiter entfernte Caches wie der L2- oder L3-Cache sind langsamer, aber auch umfassender und enthalten mehr Daten. Ein ausgeklügeltes Management der Cache-Inhalte sorgt dafür, dass alte oder wenig genutzte Daten durch neue ersetzt werden.

Arten von Cache

Im Allgemeinen gibt es verschiedene Arten von Cache, die jeweils spezifische Aufgaben erfüllen. Dabei ist der Prozessor-Cache, auch CPU-Cache genannt, wohl der bekannteste. Er verbessert die Leistung des Rechenprozesses durch das Speichern von Befehlen und Daten, die der Prozessor in naher Zukunft verwenden wird.Ein weiterer wichtiger Cache-Typ ist der Festplatten-Cache. Dieser hat den Zweck, den Zugriff auf Daten, die auf einer Festplatte gespeichert sind, zu beschleunigen. Hierbei handelt es sich zumeist um einen Pufferspeicher, der Daten bei der Lese- und Schreiboperation zwischenspeichert.Ein Web-Cache hingegen dient dazu, Webinhalte lokal auf dem Gerät eines Benutzers zu speichern, um schneller auf diese zugreifen zu können, ohne sie immer wieder neu von einem entfernten Server laden zu müssen. Die Browser-Caches sind ein gutes Beispiel hierfür: Sie speichern Bilder, Scripts und andere Webseitenelemente lokal, um die Bandbreitenbelastung und Ladezeiten zu minimieren.

Vor- und Nachteile von Cache

Cache kann die Systemleistung erheblich steigern, indem er die Datenzugriffszeiten reduziert. Daten, die im Cache gespeichert sind, können wesentlich rascher abgerufen werden als solche, die beispielsweise im Arbeitsspeicher oder auf der Festplatte liegen. Deshalb ist der Einsatz von Cache-Speicher besonders in Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Geschwindigkeit sinnvoll.Ein Nachteil könnte sein, dass Cache auch zu Inkonsistenzen führen kann. Wenn Daten im Hauptspeicher aktualisiert werden, der Cache aber weiterhin eine alte Version enthält, kann dies zu fehlerhaften Ergebnissen führen. Deshalb sind effektive Cache-Kohärenzmechanismen erforderlich, um diese Inkonsistenzen zu vermeiden.Außerdem verbraucht Cache-Speicher selbst Ressourcen. Er belegt physischen Speicherplatz und benötigt Energie. Daher muss die Nutzung des Cache im Verhältnis zum gewonnenen Leistungszuwachs abgewogen werden. Der Cache muss effizient verwaltet werden, um seinen Nutzen voll auszuschöpfen, ohne unnötige Ressourcen zu verschwenden.