Co to jest pamięć współdzielona?

Nowoczesne komputery mają dużo pamięci. Każdy procesor ma swoją pamięć podręczną, a każdemu uruchomionemu programowi przypisywana jest jego część systemowej pamięci RAM. Istnieje wiele różnych sposobów wykorzystania i przypisania tej pamięci. Pamięć współdzielona to koncepcja, która na różne sposoby wpływa zarówno na pamięć podręczną procesora, jak i na wykorzystanie systemowej pamięci RAM.

Pamięć współdzielona w sprzęcie

Większość nowoczesnych procesorów ma trzy poziomy pamięci podręcznej, określane jako L1, L2 i L3. L1 to najmniejsza i najszybsza pamięć podręczna, podczas gdy L3 jest największa i najwolniejsza. Jednak wszystkie z nich są szybsze niż dostęp do pamięci głównej, przez co wskaźnik trafień ma kluczowe znaczenie dla wydajności. Wiele czynników sprawia, że ​​pamięć podręczna L1 jest szybsza niż L3. Przede wszystkim komórki pamięci L1 są fizycznie większe. Jest ich też mniej i znajdują się znacznie bliżej rdzenia procesora, często w jego obrębie.

Umieszczenie bloku pamięci podręcznej w obszarze matrycy rdzenia wiąże się z dodatkową złożonością w przypadku procesorów wielordzeniowych. W tym momencie możesz wybrać pamięć podręczną w każdym rdzeniu lub poza rdzeniami, szczególnie między nimi. Każdy ma swoje zalety i wady.

Umieszczenie pamięci podręcznej w rdzeniu minimalizuje opóźnienia dostępu, ale oznacza również, że każdy rdzeń potrzebuje swojej pamięci podręcznej. Oznacza to, że możesz skończyć z powielonymi liniami pamięci podręcznej w pamięciach podręcznych L1 różnych rdzeni, zmniejszając wydajność pamięci podręcznej. Nazywa się to lokalną pamięcią podręczną i chociaż jest to świetne rozwiązanie pod względem czasu dostępu, jest mniej wydajne pod względem wykorzystania miejsca w pamięci podręcznej i wymaga dodatkowego obciążenia pod względem spójności pamięci podręcznej.

Współdzielona pamięć podręczna to pamięć podręczna dostępna dla wielu lub wszystkich rdzeni procesora wielordzeniowego. Współdzielona pamięć podręczna oznacza, że ​​wiele rdzeni może uzyskiwać dostęp do jednej instancji określonych danych, ograniczając marnowanie miejsca spowodowane duplikacją. Oznacza to również, że jeden rdzeń może tymczasowo zająć więcej miejsca w pamięci podręcznej niż jego sprawiedliwy udział, jeśli tego potrzebuje, podczas gdy inne rdzenie tego nie robią. Odbywa się to kosztem wydłużenia czasu dostępu.

Wspólne pamięci podręczne w praktyce

Nowoczesne procesory wykorzystują obie koncepcje, przy czym każdy rdzeń ma lokalną pamięć podręczną L1. Pamięć podręczna L3 jest zwykle współdzielona przez wiele rdzeni, choć czasami nie wszystkie. L2 jest różny, ale może być lokalny lub współużytkowany, w zależności od konkretnej architektury generowania procesora.

Wskazówka: w przypadku procesorów z chipletami, takich jak zaawansowane modele AMD Ryzen, pamięci podręczne mogą być współużytkowane przez wszystkie rdzenie w chiplecie, a nie przez wszystkie rdzenie w całym procesorze. Nie ma znaczenia, ile rdzeni współdzieli pamięć podręczną; nawet jeśli są to tylko dwa, nadal jest to wspólna pamięć podręczna, choć warto podkreślić, że jest ona udostępniona tylko częściowo.

Uwaga: systemowa pamięć RAM może być również współużytkowana przez wiele fizycznych procesorów na jednej płycie głównej lub między węzłami w systemie wieloprocesorowym.

Pamięć współdzielona w oprogramowaniu

W nowoczesnych komputerach oprogramowanie nie może bezpośrednio adresować pamięci fizycznej. Zamiast tego przypisywany jest wirtualny segment adresu, a komputer w razie potrzeby tłumaczy te adresy wirtualne na adresy fizyczne. Pomaga to wyizolować pamięć dla poszczególnych procesów, co jest pomocne dla bezpieczeństwa.

W niektórych przypadkach może być pożądane przeniesienie danych w pamięci z jednego procesu do drugiego. Najbardziej efektywnym sposobem na to jest umożliwienie dwóm procesom współdzielenia przestrzeni pamięci. W ten sposób oba procesy mogą odczytywać te same dane i komunikować się ze sobą. Pomaga to również efektywnie wykorzystać systemową pamięć RAM, ponieważ dane nie są duplikowane.

Pamięć współdzielona programowo będzie zwykle osiągana poprzez przechowywanie jednej fizycznej kopii danych i mapowanie dostępu do niej za pośrednictwem pamięci wirtualnej dla każdego procesu, który potrzebuje do niej dostępu.

Wniosek

Pamięć współdzielona to koncepcja posiadania jednej sekcji pamięci dostępnej dla wielu rzeczy. Można to zaimplementować zarówno sprzętowo, jak i programowo. Pamięć podręczna procesora może być współdzielona przez wiele rdzeni procesora. Dotyczy to zwłaszcza wyższych poziomów pamięci podręcznej procesora. Pamięć systemowa może być również współużytkowana przez różne fizyczne procesory w jednym większym systemie.

W oprogramowaniu pamięć współdzielona może umożliwiać komunikację międzyprocesową IPC. Jeden proces przydziela pamięć jako współdzieloną z jednym lub kilkoma określonymi procesami. Te inne procesy mogą następnie uzyskać dostęp do tej lokalizacji pamięci za pośrednictwem mapowania pamięci wirtualnej. Pamięć współdzielona pomaga zapewnić efektywne wykorzystanie przestrzeni pamięci, unikając powielania danych na ograniczonej przestrzeni.