Рис. 7.12. Диаграмма иерархии памяти
В этих случаях приходится спускаться ниже по иерархической лестнице и использовать жесткий диск. По состоянию на 2017 год компьютеры обычно имеют жесткие диски емкостью в сотни гигабайт — этого более чем достаточно, чтобы уместить данные из всех выполняющихся программ. Когда ОЗУ заполнено, мы перемещаем временно не используемые данные на жесткий диск, чтобы высвободить немного оперативной памяти.
Но проблема в том, что жесткие диски работают чрезвычайно медленно. Как правило, на перемещение данных между диском и ОЗУ требуется миллион циклов ЦП — целая миллисекунда
[82]. Может показаться, что это все равно быстро, но не забывайте: в то время как доступ к ОЗУ занимает всего 1000 циклов, на доступ к диску их уходит миллион. ОЗУ нередко носит название первичной памяти, а программы и данные, хранящиеся на жестком диске, являются вторичной памятью.
ЦП не может обращаться к вторичной памяти напрямую. Программы, которые хранятся во вторичной памяти, нужно скопировать в первичную — только тогда они будут исполнены. В действительности всякий раз, когда вы загружаете компьютер, даже операционную систему приходится копировать с диска в ОЗУ, прежде чем ЦП сможет ее выполнить.
Никогда не истощайте ОЗУ! Очень важно, чтобы все данные и программы, которыми компьютер управляет во время обычной работы, могли уместиться в его ОЗУ. В противном случае он будет постоянно перемещать их между диском и ОЗУ. Поскольку этот процесс очень медленный, производительность компьютера сильно падает, и он становится бесполезным. В таком случае он большую часть времени ждет, пока данные будут перемещены, вместо того чтобы выполнять фактические вычисления.
Когда компьютер постоянно перемещает данные с диска в ОЗУ, мы говорим, что он вошел в режим интенсивной подкачки. Эту ситуацию необходимо постоянно отслеживать — особенно в случае с серверами: если они начинают обрабатывать данные, не умещающиеся в ОЗУ, такой режим работы может вывести их из строя. Следствием этого, например, становится длинная очередь в банке или у кассового аппарата, — и оператору ничего не останется, кроме как валить все на сбой компьютерной системы. Недостаточный объем ОЗУ, возможно, является одной из главных причин отказа серверов.
Внешняя и третичная память
Спустимся еще ниже по иерархической лестнице памяти. Если компьютер подключить к локальной или Глобальной сети, он может получить доступ к памяти, управляемой другими компьютерами. Но этот процесс требует еще больше времени: если на чтение локального диска уходит миллисекунда, то получение данных из сети может занимать сотни миллисекунд. Только на то, чтобы сетевой пакет переместился с одного компьютера на другой, требуется порядка десяти миллисекунд. Если сетевой пакет проходит через Интернет, то он часто движется намного дольше, от двухсот до трехсот миллисекунд — столько времени у нас уходит, чтобы моргнуть
.
В самом низу иерархии находится третичная память — устройства хранения, которые не всегда подключены к сети и доступны. Мы можем хранить десятки миллионов гигабайт данных на магнитном носителе или компакт-дисках. Доступ к таким данным, однако, требует, чтобы кто-то взял носитель и вставил его в считывающее устройство. Это может занимать минуты, а может и дни
[83]. Третичная память подходит только для архивации данных, к которым редко обращаются.
Тенденции в технологии памяти
Технология, используемая в быстродействующих устройствах памяти (которые находятся в верхней части иерархической лестницы), с большим трудом поддается качественному улучшению. С другой стороны, «медленные» устройства памяти становятся быстрее и дешевле. Стоимость хранения данных на жестком диске десятилетиями падала, и, по всей видимости, эта тенденция будет продолжаться (рис. 7.13).
Кроме того, новые технологии приводят к ускорению дисков. Мы переключаемся с магнитных вращающихся дисков на твердотельные (SSD). Отсутствие подвижных частей делает их быстрее, надежнее и менее затратными в энергетическом плане.
SSD-диски становятся дешевле и быстрее каждый день, но они по-прежнему стоят дорого. Некоторые производители выпускают гибридные диски, сочетающие технологии SSD и магнитных дисков. Данные, к которым приходится обращаться часто, хранятся в SSD, а те, что бывают нужны реже, — в более медленном магнитном разделе. Когда последние начинают запрашиваться часто, они копируются в SSD-раздел гибридного диска — точно так же, как в случае с ОЗУ и кэшами в процессоре.
Рис. 7.13. Стоимость дисковой памяти в расчете на гигабайт объема
Подведем итоги
В этой главе мы разобрались с несколькими простыми принципами устройства компьютеров. Мы увидели, что всё, поддающееся вычислению, можно выразить в виде простых команд. Мы также узнали, что существует программа, называемая компилятором, которая транслирует наши сложные вычислительные команды в простые, понятные для ЦП. Компьютеры способны делать сложные вычисления просто потому, что их процессоры выполняют огромное количество базовых операций.
Мы узнали, что наши компьютеры имеют быстродействующие процессоры, но относительно медленную память. Доступ к памяти осуществляется не наугад, а согласно пространственной и временной локальностям. Это позволяет использовать более быстрые типы памяти для кэширования тех данных, доступ к которым производится наиболее часто. Мы проследили применение этого принципа на нескольких уровнях кэширования: от кэша L1 вниз по иерархической лестнице вплоть до третичной памяти.
Принцип кэширования, речь о котором шла в этой главе, применим во многих сценариях. Идентификация частей данных, которые используются вашим приложением чаще, и ускорение доступа к ним — одна из наиболее широко используемых стратегий, предназначенных для ускорения компьютерных программ.
