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在计算领域，缓存未命中是指一个组件（如处理器）请求的数据不在缓存中，缓存是一个硬件或软件组件，为将来的请求存储数据。缓存旨在通过存储先前取回的数据或者将来可能取回的数据的副本来加快数据检索。当组件请求数据时，缓存是系统检查的第一个地方。如果在缓存中找到请求的数据，则称为缓存命中。但是，如果在缓存中找不到数据，则称为缓存未命中。
高速缓存未命中可能会严重影响系统性能。当高速缓存未命中时，系统必须从主内存或其他更低级别的高速缓存中获取所请求的数据，这是一个比从高速缓存中检索数据更慢的过程。此延迟可能会导致性能瓶颈，尤其是在高速操作至关重要的系统中。
高速缓存未命中率会受到几个因素的影响，包括高速缓存的大小、高速缓存的组织和替换策略以及数据访问模式的性质。因此，理解和管理高速缓存未命中是优化系统性能的关键方面。
值得注意的是，并非所有高速缓存未命中都是相同的成本。例如，由于首次访问数据块（强制未命中）而发生的未命中是不可避免的。然而，由于数据被其他数据（容量未命中）取代或由于高速缓存放置策略（冲突未命中）中的冲突而发生的未命中可以通过仔细的算法和系统设计来减轻。
强制未命中
当首次访问数据时，会发生强制未命中，也称为冷未命中。由于数据之前未被请求，因此不存在于缓存中，从而导致未命中。由于强制未命中是数据第一次引用的固有特性，因此这种类型的未命中是不可避免的。消除强制未命中的唯一方法是对数据进行无限预取，这在实际系统中是不可行的。
容量未命中
当高速缓存无法容纳系统所需的所有数据时，就会发生容量未命中。当工作集（程序经常访问的数据集）大于高速缓存大小时，就会发生此类未命中。当高速缓存已满并且引用了新数据项时，必须逐出现有数据以容纳新数据，从而导致未命中。可以通过增加高速缓存大小或优化程序以减小工作集大小来减少容量未命中。
冲突未命中
冲突未命中（也称为碰撞未命中）发生在按顺序访问的多个数据项映射到相同高速缓存位置（称为高速缓存组）时。此类未命中是由高速缓存的组织方式造成的。在集合关联或直接映射的高速缓存中，不同的数据项可能会映射到同一个集合，从而导致冲突。当新项加载到已满的集合中时，必须逐出另一项，如果被逐出的项再次被访问，则会导致未命中。可以通过改进高速缓存的映射函数或增加高速缓存的关联性来减轻冲突未命中。
一致性未命中
相干性缺失只在多处理器系统中出现。在这样的系统中，多个处理器有自己的私有高速缓存并访问共享数据。当处理器更新其私有高速缓存中的数据项，从而使其他处理器高速缓存中的相应数据项变旧时，就会出现相干性缺失。当第二个处理器访问旧数据时，就会出现高速缓存缺失。相干性缺失由实现缓存相干性协议进行管理，这些协议确保各种高速缓存之间的一致性。
当高速缓存中找到请求数据时，就会出现高速缓存命中。当诸如处理器这样的组件请求数据时，系统首先检查高速缓存。如果数据存在，则检索数据并将其传递给组件，这样就会出现高速缓存命中。高速缓存的主要目标是提高高速缓存命中率，从而减少访问数据所需的时间并提高整体系统性能。
高速缓存命中和高速缓存缺失之间的根本区别在于请求当时的数据所在位置。在高速缓存命中中，在高速缓存中发现请求的数据，从而可以快速检索数据。相反，高速缓存缺失意味着在请求当时数据不在高速缓存中，必须从主内存或其他较低级别的高速缓存中慢速检索数据。
高速缓存命中和高速缓存缺失的比率显著影响系统性能。高速缓存命中率高意味着高速缓存满足了大多数数据请求，从而实现更快的数据访问并提高性能。相反，高速缓存缺失率高意味着必须通过较慢的内存层次结构来满足许多数据请求，从而导致性能下降。
冷缓存、暖缓存和热缓存这些术语指高速缓存的状态，就其提供高速缓存命中的可能性而言。
1. 冷缓存：冷缓存是指刚刚初始化或清除的缓存。它不包含任何数据，所以任何数据请求都会导致高速缓存缺失，也称为强制性缺失。
2. 暖缓存：暖缓存有一些数据，但尚未达到有望提供高高速缓存命中率的状态。随着高速缓存继续被使用，它会从冷缓存转变为暖缓存。
3. 热缓存：热缓存是已使用一段时间并包含大量频繁访问的数据的缓存。热缓存有望提供高高速缓存命中率，有助于提高系统性能。
高速缓存未命中惩罚是指当高速缓存未命中时为服务数据请求而多花的时间。如果在高速缓存中找不到请求的数据，则系统必须从主内存或其他较低级别的高速缓存中检索数据。此检索过程比从高速缓存中访问数据要慢，从而导致称为高速缓存未命中惩罚的延迟。惩罚通常以时钟周期为单位测量，并且取决于存储器层次结构和数据与处理器的距离。
高速缓存未命中惩罚会严重影响系统性能。由于高速缓存未命中而为服务数据请求而多花费的时间会减慢程序执行速度，特别是如果高速缓存未命中频繁发生时。这是因为处理器可能不得不暂停并等待数据被获取，从而导致处理器的能力未得到充分利用。
高速缓存未命中惩罚对系统性能影响的严重程度取决于几个因素。这些因素包括高速缓存未命中率（导致未命中高速缓存访问的比例）、高速缓存未命中惩罚（为服务高速缓存未命中而多花费的时间）以及正在执行的特定程序的内存访问行为。
为了减轻高速缓存未命中惩罚的影响，可以采用各种策略。这些策略包括优化高速缓存的大小和组织，实施预取技术以预测数据请求，以及优化程序代码以提高引用局部性。
高速缓存命中率是一个度量指标，它量化了高速缓存处理数据请求的有效性。它定义为以高速缓存命中结束的高速缓存访问的比例。较高的高速缓存命中率表明高速缓存有效地存储并提供系统经常访问的数据，从而减少了从较慢的存储器层次结构中获取数据的需要。
高速缓存命中率通过将高速缓存命中次数除以高速缓存访问总数（高速缓存命中和高速缓存未命中之和）来计算。结果通常以百分比表示。例如，如果一个系统有 800 次高速缓存命中和 200 次高速缓存未命中，则高速缓存访问总数为 1,000。因此，高速缓存命中率为 800/1,000 = 0.8，或 80%。
高速缓存命中率是系统性能的重要指示器。较高的高速缓存命中率意味着很大一部分数据请求正由高速缓存服务，高速缓存比其他存储器层次结构更快。这会导致数据访问时间更短和系统性能得到改善。
相反，低缓存命中率表示许多数据请求导致缓存未命中，导致必须从主内存或其他较低级别的缓存中更慢地获取数据。这会导致缓存未命中惩罚增加和系统性能降低。
因此，优化缓存命中率是系统性能优化的一个关键方面。这可以通过多种策略来实现，包括增加缓存大小，优化缓存的组织和替换策略以及提高程序代码中引用局部性。
增加缓存中数据的寿命有助于减少缓存未命中。缓存项的寿命是指数据在被替换之前在缓存中保留的时间。如果可能再次访问的数据长时间保留在缓存中，则可以增加缓存命中的可能性，从而降低缓存未命中的可能性。可以通过实施优先保留频繁访问的数据或最近访问的数据的适当缓存替换策略来实现。
缓存策略（包括替换策略和预取策略）在管理缓存未命中方面发挥着至关重要的作用。替换策略决定当缓存已满并且需要适应新数据时要驱逐哪些数据。常见的替换策略包括最近最少使用 (LRU)、最近最常使用 (MRU) 和最不经常使用 (LFU)。通过根据数据的访问模式优化这些策略，可以减少缓存未命中。
预取策略涉及在实际请求数据之前根据对未来数据请求的预测将数据获取到缓存中。有效的预取可以通过确保在请求数据时数据已在缓存中来减少强制未命中。
扩展随机存取存储器 (RAM) 还可以帮助减少缓存未命中。较大的 RAM 允许更大的缓存，这可以存储更多数据并降低容量未命中的可能性。但是，需要注意的是，简单地增加 RAM 大小并不总是会导致减少缓存未命中。缓存的组织和管理，包括缓存映射技术和替换策略，在确定缓存处理数据请求的有效性方面也发挥着重要作用。
直接映射缓存
直接映射缓存是一种缓存组织技术，其中主内存的每个块映射到恰好一个缓存行。内存块映射到的缓存行由块的地址确定。虽然这种映射技术简单且快速，但如果多个频繁访问的内存块映射到同一个缓存行，它会导致较高的冲突未命中率。
全相联缓存
在全相联高速缓存中，主内存中的任何块都可以映射到高速缓存的任何行。这种灵活性减少了冲突未命中的可能性，因为它允许高速缓存存储频率最高的访问数据，而不管其内存地址如何。但是，全相联高速缓存比直接映射高速缓存更复杂、速度更慢，因为它们需要搜索整个高速缓存才能确定是否存在块。
集合相联高速缓存
集合相联高速缓存是对直接映射和全相联高速缓存的折衷。在此映射技术中，高速缓存被分成集合，每个集合包含多行。内存块可以映射到特定集合中的任何行，该集合由块的地址确定。这平衡了直接映射高速缓存的简单性和速度以及全相联高速缓存的灵活性。集合中的行数（称为集合的结合性）可调整以优化高速缓存的性能。
网站开发中的高速缓存未命中
在网站开发的背景下，理解和管理高速缓存未命中对于优化网站性能至关重要。当用户访问网站时，网站的某些元素（如图像、CSS 和 JavaScript 文件）将存储在用户的浏览器高速缓存中。在随后的访问中，这些元素可以从高速缓存中加载，从而减少加载时间。但是，如果高速缓存中找不到请求的元素，则会发生高速缓存未命中，并且必须从服务器获取元素，从而会减慢网站加载速度。因此，有效的缓存管理策略（如设置适当的缓存生命周期和实施缓存验证技术）在网站开发中至关重要。
WordPress 网站中的高速缓存未命中
对于 WordPress 网站，高速缓存的未命中会极大地影响用户体验。WordPress 使用缓存存储数据库查询和呈现页面的结果。当用户访问 WordPress 站点时，如果请求的页面位于缓存中，则可以快速提供该页面，从而获得缓存命中。但是，如果页面不在缓存中，则会发生高速缓存未命中，并且必须从数据库中生成该页面，这是一个可能较慢的过程。WordPress 提供了各种缓存插件，以帮助管理缓存并减少高速缓存未命中，从而改善网站的性能。
计算机处理器中的高速缓存未命中
在计算机处理器中，高速缓存错误会减慢程序执行速度。处理器使用高速缓存从主存储器中存储经常访问的数据。当处理器需要数据时，它首先会检查高速缓存。如果找到数据，则发生了高速缓存命中，并且可以快速访问数据。但是，如果找不到数据，则会发生高速缓存未命中，并且必须从主存储器中获取数据，而这会更慢。因此，了解和管理高速缓存错误是计算机架构和系统性能优化的一个关键方面。增加高速缓存大小、优化高速缓存组织以及实现预取等技术可以帮助减少计算机处理器中的高速缓存错误。
