キャッシュメモリとは、コンピュータシステムにおいて、頻繁にアクセスされるデータや命令を一時的に保存しておく高速なメモリ領域です。CPU、アプリケーション、Webブラウザ、オペレーティングシステムなど、様々な場面で利用されています。キャッシュメモリは、アクセス速度の遅いメインメモリと比較して、データへのアクセス時間を大幅に短縮し、システム全体の性能向上に貢献します。
キャッシュメモリは、大容量またはメインメモリの速度がユーザーの要求に追いつかないために使用されます。キャッシュメモリはデータアクセス時間を短縮し、レイテンシを削減し、入出力（I/O）を向上させます。アプリケーションのほとんどすべてのワークロードはI/O操作に依存しているため、キャッシュによりアプリケーションのパフォーマンスが向上します。
クライアントがデータにアクセスしようとすると、まずキャッシュメモリを確認します。データがそこに見つかった場合、それはキャッシュヒットと呼ばれます。キャッシュヒットに至る試行の割合は、キャッシュヒット率と呼ばれます。
要求されたデータがキャッシュメモリに見つからない場合（キャッシュミスと呼ばれる）、メインメモリから取得され、キャッシュメモリにコピーされます。新しいデータのためのスペースを作るためにどのデータをキャッシュメモリから追い出すかは、キャッシュアルゴリズム、キャッシュプロトコル、および使用されているシステムによって異なります。
Safari、Firefox、ChromeなどのWebブラウザは、頻繁にアクセスされるWebサイトのパフォーマンスを向上させるためにブラウザキャッシュを使用します。ユーザーがWebサイトにアクセスすると、要求されたファイルは、そのブラウザのキャッシュとしてユーザーのコンピュータのメモリに保存されます。
以前にアクセスしたページを取得するために、ブラウザは必要なファイルのほとんどをWebサーバーにアクセスするのではなく、キャッシュから取得します。このアプローチはキャッシュ読み取りと呼ばれます。ブラウザクライアントは、Webサイトからファイルを再読み込みするよりも、キャッシュからデータを読み取る方が高速です。
キャッシュメモリは、いくつかの理由で重要です。
- キャッシュメモリの使用は、アクティブデータのレイテンシを削減します。これにより、システムまたはアプリケーションのパフォーマンスが向上します。
- I/Oをキャッシュメモリにリダイレクトすることで、外部メモリへのI/O操作が削減され、ストレージアレイの負荷が軽減されます。
- データは、従来のストレージアレイまたは外部ストレージに永続的に存在できます。これは、メモリに保存されたスナップショットなどの機能を使用して、データの整合性と完全性を維持します。
- フラッシュは、ワークロードの一部に使用されるため、レイテンシの低減の恩恵を受けます。これは、ストレージコストを効率的に使用することに役立ちます。
キャッシュメモリはCPUに内蔵されているか、マザーボード上のチップに組み込まれています。新しいデバイスでは、キャッシュメモリを増やす唯一の方法は、システムボードとCPUを最新世代にアップグレードすることです。古いシステムボードには、キャッシュメモリを増やすために使用できる空のスロットがある場合があります。
キャッシュメモリは、ハードウェアとソフトウェアのコンポーネントを使用して、一時ファイルを保存するために使用されます。ハードウェアキャッシュの例としては、CPUキャッシュがあります。これは、最近使用された、または頻繁に使用される基本的なコンピュータ命令を保存するために使用される、コンピュータのプロセッサ上の小さなメモリです。
多くのアプリケーションとソフトウェアにも独自のキャッシュメモリがあります。このタイプのキャッシュは、アプリケーションに関連するデータ、ファイル、または手順を一時的に保存して、迅速に取得できるようにします。
Webブラウザは、アプリケーションキャッシュの良い例です。前述のように、ブラウザには、将来のセッションで使用するために、以前のブラウジングセッションからの情報を保存するための独自のキャッシュがあります。ユーザーがYouTubeビデオをもう一度見たい場合は、ブラウザが前のセッションからビデオが保存されているキャッシュからビデオにアクセスするため、ビデオをより速くロードできます。
キャッシュメモリを使用する他の多くのシステムには、次のものがあります。
- 頻繁に使用される命令とファイルが保存されるオペレーティングシステム。
- Webサイトをより速く配信するために情報がサーバー側に保存されるコンテンツ配信ネットワーク。
- ドメイン名をインターネットプロトコルアドレスに変換するために使用される情報を保存できるドメインネームシステム。
- データベースクエリでのレイテンシを削減できるデータベース。
キャッシュには、次のような多くの利点があります。
- パフォーマンス: データをキャッシュメモリに保存すると、コンピュータの動作が速くなります。たとえば、以前のブラウジングセッションからのファイルを保存するブラウザキャッシュは、後続のセッションへのアクセスを高速化します。データベースキャッシュは、そうでなければダウンロードに時間とリソースがかかるデータの取得を高速化します。
- オフライン作業: キャッシュメモリを使用すると、アプリケーションはインターネットに接続せずに動作できます。アプリケーションキャッシュは、最近アクセスされた、または頻繁に使用されるデータへの高速アクセスを提供します。ただし、キャッシュはアプリケーションのすべての機能へのアクセスを提供しない場合があります。
- リソース効率の向上: 速度と柔軟性に加えて、キャッシュは物理デバイスがリソースを節約するのに役立ちます。たとえば、キャッシュメモリへの高速アクセスはバッテリーを節約します。
キャッシュメモリには、次のような制限もあります。
- データの破損: キャッシュメモリが破損し、保存されているデータが使用できなくなる可能性があります。データの破損により、ブラウザなどのアプリケーションがクラッシュしたり、不正確なデータが表示されたりする可能性があります。
- パフォーマンス: キャッシュメモリは、多くの場合、一時メモリの小さなストアです。大きすぎると、パフォーマンスが低下する可能性があります。また、他のアプリケーションが必要とする可能性のあるメモリを消費し、アプリケーションのパフォーマンスに悪影響を与える可能性があります。
- 古い情報: アプリケーションキャッシュは、古い情報または古い情報を表示することがあります。これは、アプリケーションの誤動作や誤解を招く情報の返却につながる可能性があります。Webサイトまたはアプリケーションがインターネット上で更新された場合、以前のセッションからキャッシュされたバージョンを使用しても、更新は反映されません。これは、静的コンテンツの問題ではなく、セッションごと、またはセッション間で変化する動的コンテンツの問題です。
