Проблема согласования данных

В процессе работы содержимое кэш-памяти постоянно обновляется, а значит, время от времени данные из нее должны вытесняться. Вытеснение означает либо простое объявление свободной соответствующей области кэш-памяти (сброс бита действительности), если вытесняемые данные за время нахождения в кэше не были изменены, либо в дополнение к этому копирование данных в основную па­мять, если они были модифицированы. Алгоритм замены данных в кэш-памяти существенно влияет на ее эффективность. В идеале такой алгоритм должен, во-первых, быть максимально быстрым, чтобы не замедлять работу кэш-памяти, а во-вторых, обеспечивать максимально возможную вероятность кэш-попаданий. Поскольку из-за непредсказуемости вычислительного процесса ни один алгоритм замещения данных в кэш-памяти не может гарантировать оптимальный резуль­тат, разработчики ограничиваются рациональными решениями, которые по край­ней мере, не сильно замедляют работу кэша — запоминающего устройства, изна­чально призванного быть быстрым.

Наличие в компьютере двух копий данных — в основной памяти и в кэше — по­рождает проблему согласования данных. Если происходит запись в основную память по некоторому адресу, а содержимое этой ячейки находится в кэше, то в результате соответствующая запись в кэше становится недостоверной. Рассмот­рим два подхода к решению этой проблемы:

o Сквозная запись (write through). При каждом запросе к основной памяти, в том числе и при записи, просматривается кэш. Если данные по запрашиваемому адресу отсутствуют, то запись выполняется только в основную память. Если же данные, к которым выполняется обращение, находятся в кэше, то запись выполняется одновременно в кэш и основную память.

- Обратная запись (write back). Аналогично при возникновении запроса к па­мяти выполняется просмотр кэша, и если запрашиваемых данных там нет, то запись выполняется только в основную память. В противном же случае за­пись производится только в кэш-память, при этом в описателе данных дела­ется специальная отметка (признак модификации), которая указывает на то, что при вытеснении этих данных из кэша необходимо переписать их в основ­ную память, чтобы актуализировать устаревшее содержимое основной памяти.

В некоторых алгоритмах замещения предусматривается первоочередная выгруз­ка модифицированных, или, как еще говорят, «грязных» данных. Модифициро­ванные данные могут выгружаться не только при освобождении места в кэш-па­мяти для новых данных, но и в «фоновом режиме», когда система не очень загружена.