Cache là gì?  

Cache (phát âm là CASH) là phần cứng hoặc phần mềm lưu trữ dữ liệu tạm thời trong môi trường máy tính (computing environment). Cache có tên là bộ nhớ đệm, đây là bộ nhớ nhanh hơn thường sử dụng với mục đích giúp dữ liệu được truy cập thường xuyên, gần đây được cải thiện hơn về mặt hiệu suất.

Cache là gì?

Các loại cache (bộ nhớ đệm)

Write-around cache

Bộ nhớ đệm cache write-around cho phép ghi các hoạt động được ghi vào bộ nhớ, hoàn toàn bỏ qua bộ nhớ cache.

Ưu điểm: Điều này giúp bộ nhớ cache không bị quá tải khi có một số lượng lớn bản ghi I/ O xảy ra.

Điểm bất lợi là dữ liệu không được lưu trữ trừ khi nó được đọc từ bộ nhớ. Như vậy, hoạt động đọc ban đầu sẽ tương đối chậm vì dữ liệu chưa được lưu trữ (chưa được cache).

Write-through cache

Write-through cache ghi đè dữ liệu vào cả bộ nhớ cache và bộ nhớ storage.

Ưu điểm của phương pháp này là dữ liệu mới được viết luôn được lưu trữ, cho phép dữ liệu đó luôn được đọc nhanh chóng.

Một nhược điểm là các hoạt động ghi không được coi là hoàn thành cho đến khi dữ liệu được ghi vào cả bộ nhớ cache và bộ lưu trữ chính (primary storage). Điều này khiến quá trình lưu trữ cache write-through gây ra độ trễ các hoạt động ghi.

Write-back cache

Bộ nhớ đệm ghi lại (Write-back cache) tức toàn bộ các hoạt động ghi đều được chuyển trực tiếp đến bộ nhớ cache. Sự khác biệt duy nhất của Write-back cache đó là khi dữ liệu được lưu trữ, thao tác ghi mới được xem là hoàn chỉnh. Dữ liệu sau đó được sao chép từ bộ nhớ cache vào bộ nhớ (storage). Theo hướng tiếp cận này, sẽ luôn tồn tại một ít độ trễ cho cả hoạt động đọc và ghi.

- Điểm bất lợi là, tùy thuộc vào cơ chế bộ nhớ đệm nào được sử dụng, dữ liệu có thể dễ dàng bị mất cho đến khi nó được lưu trữ (committed to storage).

>>> Tìm hiểu thêm: Phân biệt Cache hit và Cache miss

Cách thức hoạt động của bộ nhớ cache

Trường hợp, đang có một máy bộ nhớ cache muốn truy cập dữ liệu, lúc này nó sẽ thực hiện kiểm tra xem bộ nhớ cache có đáp ứng yêu cầu không. Nếu dữ liệu được tìm thấy ở đây có nghĩa là lần truy cập bộ nhớ cache. % số lần thử dẫn tới lượt truy cập bộ nhớ cache gọi là tỷ lệ truy cập bộ nhớ cache.

Cách thức hoạt động của bộ nhớ cache

Trường hợp không tìm thấy dữ liệu trong bộ nhớ đệm gọi là cache miss. Lúc này dữ liệu sẽ được đẩy ra ngoài để nhường chỗ cho dữ liệu mới, nó thường phụ thuộc vào giao thức bộ nhớ cache, thuật toán bộ nhớ đệm, hệ thống đang dùng.

Những trình duyệt web như Chrome, Firefox, Safari thường dùng bộ nhớ đệm để giúp các website dễ dàng cải thiện hiệu suất khi truy cập thường xuyên. Khi chúng ta truy cập, tệp được yêu cầu sẽ lưu trữ trong bộ nhớ đệm.

Vì sao bộ nhớ cache được đánh giá là quan trọng?

Bộ nhớ cache đang được đánh giá cao vì những lý do sau đây:

• Hiệu quả trong việc giảm độ trễ của dữ liệu hoạt động. Từ đó nâng cao hiệu suất của ứng dụng và hệ thống.

• Dễ dàng giảm những hoạt động I/O sang bộ nhớ ngoài, chuyển hướng I/O sang bộ nhớ cache và giảm thiểu mức độ mạng lưu trữ.

• Trong các mảng lưu trữ bên ngoài và truyền thống, dữ liệu thường tồn tại được vĩnh viễn. Điều đó có tác dụng trong việc duy trì tính toàn vẹn, nhất quán và dữ liệu bằng việc dùng những tính năng như hình ảnh chụp nhanh được lưu trong bộ nhớ.

• Flash được hưởng lợi từ độ trễ thấp và dùng như một phần công việc. Từ đó giúp các chi phí lưu trữ được dùng hiệu quả hơn.

• Cache thường được nhúng trong chip trên bo mạch mainboard hoặc trong CPU. Ở thiết bị mới, để tăng bộ nhớ cách duy nhất là nâng cấp CPU hoặc bo mạch hệ thống lên. Ở hệ thống cũ, những bo mạch sẽ có những khe trống được dùng nhằm mục đích tăng bộ nhớ.

Cache đem đến những lợi ích gì?

Sử dụng bộ nhớ đệm cache thường đem đến các lợi ích sau đây:

Tăng tốc độ truy cập dữ liệu

 Bộ nhớ đệm cache giữ một bản sao của dữ liệu mà hệ thống thường xuyên truy cập. Khi yêu cầu truy cập dữ liệu được gửi đến, hệ thống sẽ tiến hành kiểm tra xem liệu dữ liệu đó đã được lưu trong bộ nhớ cache hay chưa. Nếu có, dữ liệu sẽ được trả về từ cache, giảm thiểu thời gian cần để truy xuất dữ liệu từ bộ nhớ chính.

Giảm tải cho hệ thống chính

Quá trình lưu trữ dữ liệu mà hệ thống thường xuyên truy cập trong bộ nhớ cache nên áp lực lên hệ thống chính sẽ được giảm đi đáng kể. Điều này làm giảm thời gian phản hồi của hệ thống và cải thiện khả năng phục vụ, đặc biệt là trong các ứng dụng có nhiều yêu cầu truy cập dữ liệu đồng thời.

Tiết kiệm tài nguyên hệ thống

 Việc sử dụng bộ nhớ đệm cache giúp giảm lượng truy cập vào hệ thống chính và giảm băng thông mạng. Từ đó tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên hệ thống, giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì.

Cải thiện trải nghiệm người dùng

 Cache sẽ giảm thời gian chờ đợi của người dùng khi truy cập dữ liệu và cải thiện trải nghiệm. Ứng dụng hoạt động nhanh hơn và người dùng có thể trải nghiệm dịch vụ mà không gặp phải các vấn đề phát sinh không mong muốn.

Giảm độ trễ hệ thống

Bộ nhớ giúp giảm thời gian cần thiết để truy cập dữ liệu từ bộ nhớ chính trong quá trình xử lý dữ liệu. Nhất là đối với các ứng dụng đòi hỏi thời gian phản hồi nhanh như trò chơi trực tuyến hoặc ứng dụng tương tác thời gian thực.

Bộ nhớ cache có những hạn chế gì?

Bộ nhớ đệm cache là một phần quan trọng trong hệ thống máy tính. Tuy nhiên, nó cũng có một số hạn chế sau đây:

• Giới hạn về dung lượng: Cache thường có dung lượng hạn chế so với bộ nhớ chính. Điều này có thể dẫn đến hiện tượng "cache miss" khi dữ liệu không thể lưu trữ trong cache vì dung lượng đã đầy.
• Chi phí đắt đỏ: Xây dựng và duy trì cache có thể tốn kém về tài nguyên. Cần cân nhắc giữa chi phí và hiệu suất để đảm bảo rằng việc triển khai cache là hợp lý.
• Không đảm bảo tính nhất quán: Cache có thể dẫn đến vấn đề nhất quán dữ liệu nếu không được quản lý đúng cách. Cần phải xem xét các chiến lược hợp lý để đảm bảo dữ liệu được cập nhật đồng bộ giữa bộ nhớ đệm và bộ nhớ chính.
• Cần đồng bộ hóa: Việc cập nhật dữ liệu trong cache cần được đồng bộ hóa để tránh tình trạng dữ liệu không nhất quán. Điều này có thể tạo ra overhead và ảnh hưởng đến hiệu suất.
• Nguy cơ lạc hậu: Dữ liệu trong cache có thể trở nên lạc hậu so với dữ liệu trong bộ nhớ chính nếu không được cập nhật đúng cách. Điều này có thể dẫn đến việc sử dụng dữ liệu không chính xác hoặc lỗi.
• Khả năng kiểm soát yếu: Cache có thể trở nên phức tạp và khó kiểm soát, đặc biệt là trong các hệ thống lớn và phức tạp. Việc quản lý cache cần sự cân nhắc và kiểm soát cẩn thận để tránh các vấn đề không mong muốn.
• Không phù hợp cho nhiều ứng dụng: Có một số ứng dụng không  tương thích từ việc sử dụng cache, hoặc thậm chí có thể bị ảnh hưởng tiêu cực do cache. Do đó, khi dùng cache cũng cần phải dựa trên yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Cache algorithms (Thuật toán cache)
 

Thuật toán cache cung cấp hướng dẫn về cách duy trì bộ nhớ cache. Sau đây là một số ví dụ về thuật toán bộ nhớ đệm cache:
 

Ít được sử dụng thường xuyên nhất (LFU, Least Frequently Used) 

Sử dụng bộ đếm để theo dõi tần suất truy cập vào một mục; mục nào có số lần truy nhập thấp nhất sẽ được xóa đi đầu tiên.

Ít sử dụng gần đây nhất (LRU, Least Recently Used)

Giữ các mục được sử dụng gần đây nhất nằm trên top đầu bộ nhớ đệm; khi đạt đến giới hạn bộ nhớ cache, các mục ít được truy cập gần đây nhất sẽ bị xóa (các top cuối).

Gần đây nhất được sử dụng (MRU, Most Recently Used) 

Ưu tiên loại bỏ các items được sử dụng gần đây nhất; cách tiếp cận này rất hữu ích đặc biệt cho các tình huống các items cũ hơn có nhiều khả năng được truy cập hơn.

Các trường hợp sử dụng cache

Máy chủ bộ nhớ cache (Cache server)

Một dedicated network server (máy chủ mạng chuyên dụng), hoặc dịch vụ hoạt động với tư cách máy chủ (service acting as a server), lưu các webpage hoặc các nội dung Internet khác cục bộ. Điều này đôi khi được gọi là bộ nhớ cache proxy (proxy cache).

Máy chủ bộ nhớ cache (Cache server)

Bộ nhớ cache trên đĩa (Disk cache)

Disk cache giữ các dữ liệu gần đây đã được đọc và cả các vùng dữ liệu liền kề liên quan, có nhiều khả năng sắp được truy cập. Một số Disk cache được thiết kế để lưu trữ dữ liệu dựa trên tần suất được đọc của chúng. Các khối lưu trữ (Storage blocks) được đọc thường xuyên, sẽ được gọi là các khối nóng (hot blocks) và tự động được chuyển vào cache.

Bộ nhớ cache (Cache memory)

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM, Random access memory) là bộ nhớ mà bộ vi xử lý máy tính có thể truy cập nhanh hơn so với bộ nhớ RAM thông thường. Cache memory thường được gắn trực tiếp với CPU và được sử dụng để lưu trữ các lệnh thường xuyên được truy cập bởi các tiến trình hiện đang chạy. Mặc dù RAM cache (bộ đệm RAM) nhanh hơn nhiều so với bộ nhớ cache dựa trên đĩa (disk-based cache), thì cache memory vẫn nhanh hơn nhiều so với RAM cache vì nó gần với CPU.
 

Thiết bị nhớ flash (Flash cache)

Flash cache

Lưu trữ tạm thời dữ liệu trên chip bộ nhớ flash NAND - thường ở dạng lưu trữ SSD (solid-state drive) - cho phép yêu cầu dữ liệu được đáp ứng với tốc độ cao hơn so với bộ nhớ cache một ổ đĩa cứng truyền thống (HDD, hard disk drive).
 

Làm cách nào để tăng cache memory (bộ nhớ đệm)

Bộ nhớ cache (Cache memory) là một phần của phức hợp CPU, do đó nó được đưa vào chính CPU hoặc được nhúng vào một con chip trên bo mạch hệ thống (system board). Thông thường, cách duy nhất để tăng bộ nhớ cache là cài đặt một bo mạch hệ thống thế hệ tiếp theo (next-generation) và một CPU next-gen tương ứng. Một số bo mạch hệ thống cũ có chứa các khe trống, có thể được sử dụng để tăng dung lượng bộ nhớ cache, tuy nhiên hầu hết các bo mạch hệ thống mới ngày nay lại không bao gồm khe trống này.
 

Hướng dẫn chi tiết cách xóa bộ nhớ cache

Để xóa bộ nhớ đệm cache, bạn cần thực hiện như sau:

Hướng dẫn xóa Cache trên trình duyệt máy tính

Đối với máy tính, chúng tôi sẽ hướng dẫn các bạn xóa bộ đệm ở các trình duyệt sau đây:

Xóa cache trên trình duyệt Chrome

• Bước 1: Ở trình duyệt Google Chrome, ấn tổ hợp phím Ctrl + H để cửa sổ lịch sử hiện ra
• Bước 2:  Ấn xóa dữ liệu duyệt web
• Bước 3: Thực hiện các tùy chọn xóa dữ liệu
• Bước 4: Chọn xóa dữ liệu

Xóa cache trên trình duyệt Firefox

• Bước 1: Ấn vào biểu tượng 3 gạch ngang góc phải màn hình, lựa chọn mục thư viện.
• Bước 2: Lựa chọn phần lịch sử.
• Bước 3: Chọn xóa lịch sử gần đây.
• Bước 4: Tích chọn các dữ liệu muốn xóa rồi chọn OK.

Xóa cache trên trình duyệt Safari

• Bước 1: Vào trình duyệt Safari, ấn chọn lịch sử -> hiển thị tất cả lịch sử.
• Bước 2: Lựa chọn xóa lịch sử.
• Bước 3: Lựa chọn mốc thời gian cần xóa -> ấn xóa lịch sử.

Ngoài ra, bạn có thể lựa chọn phần Phát triển -> dọn sạch bộ nhớ đệm.

Xóa cache trên trình duyệt Cốc Cốc

• Bước 1: Mở trình duyệt Cốc Cốc -> ấn tổ hợp phím Ctrl + H để hiển thị lịch sử.
• Bước 2: Chọn xóa dữ liệu duyệt web.
• Bước 3: Thiết lập những tùy chọn xóa dữ liệu.
• Bước 4: Thực hiện xóa dữ liệu.

Hướng dẫn xóa Cache trên trình duyệt di động

Trên di động, việc xóa cache được thực hiện như sau:

Xóa cache trên trình duyệt Chrome

1. Bước 1: Thực hiện mở trình duyệt google, ấn vào biểu tượng 3 chấm dọc trên menu.
2. Bước 2: Lựa chọn Clear Browsing Data.
3. Bước 3: Chọn thời gian và những dữ liệu cần xóa.
4. Bước 4: Ấn nút Clear Data để xóa dữ liệu.

Cách xóa cache trên trình duyệt Chrome của Android và iOS thường giống nhau. Nhưng với iOS, Chrome không có lựa chọn phạm vi thời gian lưu trữ. Vì thế, bạn cần thực hiện bước 1 và 2 như trên Android. Sau đó hệ thống sẽ xuất hiện Popup để xác nhận quá trình xóa dữ liệu. Lúc này hãy ấn OK để hoàn thành.

Xóa cache trên trình duyệt Firefox

• Bước 1: Ấn vào biểu tượng dấu 3 chấm trên thanh menu, sau đó lựa chọn History.
• Bước 2: Lựa chọn Clear Browsing Data ở phía dưới màn hình.
• Bước 3: Hệ thống sẽ xuất hiện Popup để xác nhận quá trình xóa dữ liệu. Ấn nút OK để thực hiện.

Xóa cache trên trình duyệt Safari

• Bước 1: Vào phần Setting của thiết bị.
• Bước 2: Mở mục Safari.
• Bước 3: Chọn phần Clear History and website Data ở phía dưới.
• Bước 4:  Hệ thống sẽ xuất hiện Popup để xác nhận quá trình xóa dữ liệu. Ấn nút OK để thực hiện.

Kiến thức bổ sung về buffer và cache

Buffer (vùng đệm) giống như cache (bộ nhớ đệm), cũng là một nơi tạm thời cho dữ liệu. Tuy nhiên, mục đích chính của vùng đệm buffer là để hấp thụ các nhu cầu cao (demand spikes). Ví dụ, bộ đệm ghi (write buffer) có thể sử dụng bộ nhớ flash (flash storage) để lưu trữ tạm thời các thao tác ghi và sau đó di chuyển dữ liệu được ghi gần đây vào bộ nhớ chính (main storage) của hệ thống khi tài nguyên có sẵn trở nên dễ dàng hơn. Trong tình huống này, lưu trữ SSD nhanh hơn lưu trữ HDD và có thể hoàn thành quá trình ghi nhanh hơn. Dữ liệu không được lưu trữ trên SSD, vì SSD chỉ được sử dụng làm kho lưu trữ dữ liệu tạm thời.
 

Dịch từ bài gốc: https://searchstorage.techtarget.com/definition/cache

Trên đây, Pho Tue Software Solutions đã lý giải thông tin cache là gì và hướng dẫn cách xóa bộ nhớ đệm cho người dùng trên máy tính và thiết bị di động. Chúng tôi hy vọng đã mang đến cho bạn thông tin hữu ích để việc sử dụng thiết bị đạt hiệu quả nhất.