Bộ nhớ cache, hay còn gọi là bộ nhớ đệm, là một phần cứng hoặc phần mềm được sử dụng để lưu trữ (dữ liệu) tạm thời trong môi trường máy tính. Cache là một lượng bộ nhớ nhanh hơn được sử dụng để cải thiện hiệu suất của dữ liệu được truy cập gần đây hoặc thường xuyên. Dữ liệu được lưu trong bộ nhớ đệm được lưu trữ tạm thời trong một phương tiện lưu trữ có thể truy cập được cục bộ cho máy khách và tách biệt với bộ nhớ chính. Cache thường được sử dụng bởi bộ xử lý trung tâm (CPU), các ứng dụng, trình duyệt web và hệ điều hành.
Bộ nhớ cache được sử dụng vì dung lượng lớn hoặc bộ nhớ chính không thể theo kịp nhu cầu của người dùng. Bộ nhớ cache làm giảm thời gian truy cập dữ liệu, giảm độ trễ và cải thiện đầu vào/đầu ra (I/O). Vì hầu hết tất cả khối lượng công việc của ứng dụng phụ thuộc vào thao tác I/O, quá trình lưu vào bộ nhớ đệm sẽ cải thiện hiệu suất ứng dụng.
Khi một máy khách bộ nhớ cache cố gắng truy cập dữ liệu, trước tiên nó sẽ kiểm tra bộ nhớ cache. Nếu dữ liệu được tìm thấy ở đó, điều đó được gọi là lần truy cập bộ nhớ cache. Phần trăm số lần thử dẫn đến lượt truy cập bộ nhớ cache được gọi là tỷ lệ truy cập bộ nhớ cache.
Dữ liệu được yêu cầu không tìm thấy trong bộ nhớ đệm – được gọi là cache miss — được lấy từ bộ nhớ chính và sao chép vào bộ nhớ đệm. Dữ liệu nào được đẩy ra khỏi bộ nhớ cache để nhường chỗ cho dữ liệu mới phụ thuộc vào thuật toán bộ nhớ đệm, giao thức bộ nhớ cache và hệ thống đang được sử dụng.
Các trình duyệt web như Safari, Firefox và Chrome sử dụng bộ nhớ đệm của trình duyệt để cải thiện hiệu suất của các trang web được truy cập thường xuyên. Khi người dùng truy cập trang web, các tệp được yêu cầu được lưu trữ trong bộ nhớ đệm cho trình duyệt đó trong bộ nhớ máy tính của người dùng.
Để truy xuất một trang đã truy cập trước đó, trình duyệt nhận hầu hết các tệp cần thiết từ bộ nhớ cache thay vì để truy cập thống tới web server. Cách tiếp cận này được gọi là đọc bộ nhớ cache. Trình duyệt máy khách có thể đọc dữ liệu từ bộ nhớ cache nhanh hơn mức có thể đọc lại các tệp từ trang web.
Bộ nhớ cache rất quan trọng vì một số lý do:
- Việc sử dụng bộ nhớ cache làm giảm độ trễ cho dữ liệu hoạt động. Điều này làm tăng hiệu suất cho một hệ thống hoặc ứng dụng.
- Chuyển hướng I/O sang bộ nhớ cache, giảm các hoạt động I/O sang bộ nhớ ngoài và giảm thấp mức độ của mảng lưu trữ.
- Dữ liệu có thể tồn tại vĩnh viễn trong các mảng lưu trữ truyền thống hoặc lưu trữ bên ngoài. Điều này duy trì tính nhất quán và tính toàn vẹn của dữ liệu bằng cách sử dụng các tính năng, chẳng hạn như các hình ảnh chụp nhanh được lưu trong bộ nhớ.
- Flash, được sử dụng cho một phần công việc, sẽ được hưởng lợi từ độ trễ thấp hơn. Điều giúp sử dụng hiệu quả các chi phí lưu trữ.
Bộ nhớ cache được được tích hợp trong CPU hoặc được nhúng trong chip trên bo mạch mainboard. Trong các thiết bị mới, cách duy nhất để tăng bộ nhớ cache là nâng cấp bo mạch hệ thống và CPU lên thế hệ mới nhất. Các bo mạch hệ thống cũ hơn có thể có các khe trống có thể được sử dụng để tăng bộ nhớ cache.
Bộ nhớ cache được sử dụng để lưu trữ các tệp tạm thời, sử dụng các thành phần phần cứng và phần mềm. Một ví dụ về bộ đệm phần cứng là bộ đệm CPU. Đây là một đoạn bộ nhớ nhỏ trên bộ xử lý của máy tính được sử dụng để lưu trữ các lệnh máy tính cơ bản đã được sử dụng gần đây hoặc thường được sử dụng.
Nhiều ứng dụng và phần mềm cũng có bộ nhớ cache riêng. Loại bộ nhớ đệm này tạm thời lưu trữ dữ liệu, tệp hoặc hướng dẫn liên quan đến ứng dụng để truy xuất nhanh.
Trình duyệt web là một ví dụ điển hình về bộ nhớ đệm của ứng dụng. Như đã đề cập trước đó, các trình duyệt có bộ nhớ cache riêng để lưu trữ thông tin từ các phiên duyệt web trước đó để sử dụng trong các phiên trong tương lai. Người dùng muốn xem lại video YouTube có thể tải video đó nhanh hơn vì trình duyệt truy cập video đó từ bộ nhớ cache nơi video được lưu từ phiên trước.
Nhiều hệ thống khác sử dụng bộ nhớ cache bao gồm:
- Hệ điều hành, nơi các hướng dẫn và tệp thường được sử dụng được lưu trữ;
- Mạng phân phối nội dung, nơi thông tin được lưu trữ ở phía máy chủ để cung cấp trang web nhanh hơn;
- Hệ thống tên miền, nơi chúng có thể được sử dụng để lưu trữ thông tin được sử dụng để chuyển đổi tên miền thành địa chỉ Giao thức Internet; và
- Cơ sở dữ liệu, nơi chúng có thể giảm độ trễ trong truy vấn cơ sở dữ liệu.
Có một số lợi ích của bộ nhớ đệm, bao gồm những lợi ích sau:
- Hiệu năng: Lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ cache cho phép máy tính chạy nhanh hơn. Ví dụ: bộ nhớ cache của trình duyệt lưu trữ tệp từ các phiên duyệt web trước đó sẽ tăng tốc độ truy cập vào các phiên tiếp theo. Bộ đệm ẩn cơ sở dữ liệu tăng tốc độ truy xuất dữ liệu mà nếu không sẽ mất nhiều thời gian và tài nguyên để tải xuống.
- Làm việc ngoại tuyến (offline): Bộ nhớ cache cũng cho phép các ứng dụng hoạt động mà không cần kết nối internet. Bộ nhớ cache của ứng dụng cung cấp quyền truy cập nhanh vào dữ liệu đã được truy cập gần đây hoặc thường được sử dụng. Tuy nhiên, bộ nhớ cache có thể không cung cấp quyền truy cập vào tất cả các chức năng của ứng dụng.
- Tài nguyên hiệu quả hơn: Bên cạnh tốc độ và tính linh hoạt, bộ nhớ đệm giúp các thiết bị vật lý bảo tồn tài nguyên. Ví dụ, truy cập nhanh vào bộ nhớ cache tiết kiệm pin.
Bộ nhớ cache cũng có những hạn chế như:
- Hỏng dữ liệu: Bộ nhớ cache có thể bị lỗi và làm cho dữ liệu được lưu trữ không còn sử dụng được nữa. Việc hỏng dữ liệu có thể khiến các ứng dụng như trình duyệt gặp sự cố hoặc hiển thị dữ liệu không chính xác.
- Hiệu năng: Bộ nhớ cache thường là kho lưu trữ nhỏ của bộ nhớ tạm thời. Nếu chúng quá lớn, chúng có thể khiến hiệu suất giảm sút. Chúng cũng có thể tiêu tốn bộ nhớ mà các ứng dụng khác có thể cần, tác động tiêu cực đến hiệu suất ứng dụng.
- Thông tin lỗi thời: Đôi khi bộ nhớ cache của ứng dụng hiển thị thông tin cũ hoặc lỗi thời. Điều này có thể gây trục trặc cho ứng dụng hoặc trả lại thông tin gây hiểu lầm. Nếu một trang web hoặc ứng dụng được cập nhật trên internet, việc sử dụng phiên bản được lưu trong bộ nhớ cache từ phiên trước sẽ không phản ánh bản cập nhật. Đây không phải là vấn đề đối với nội dung tĩnh mà là vấn đề đối với nội dung động thay đổi theo phiên hoặc giữa các phiên.
