cachefreundlich

Cachefreundlich bezeichnet in der Informatik die Gestaltung von Software und Algorithmen, die darauf abzielt, die Nutzung von CPU-Datencaches zu maximieren und Cache-Misses zu minimieren. Ziel ist es, häufig auf dieselben Daten zuzugreifen oder auf benachbarte Speicherstellen zuzugreifen, damit der schnelle Cache statt langsamer Hauptspeicher genutzt wird.

Wesentliche Konzepte sind lokale Datennähe (Lokalität). Dazu gehören zeitliche Lokalität (Daten werden wiederholt in kurzer Zeit genutzt) und räumliche Lokalität (aufeinanderfolgende Speicheradressen werden hintereinander gelesen). Programme, die Arrays in fortlaufender Reihenfolge durchlaufen, erfüllen in der Regel gut dieses Prinzip. Die Speicheranordnung von Daten beeinflusst ebenfalls die Lokalität: Strukturen von Arrays statt Arrays von Strukturen können den Zugriff stride-behafteter machen oder erleichtern; außerdem sind Ausrichtungs- und Padding-Strategien wichtig, um Cache-Linien sauber zu nutzen und False Sharing zu vermeiden.

Techniken zur Erhöhung der Cache-Effizienz umfassen Schleifenanordnung und Loop-Tiling (Blocking), damit Teilprobleme in den Cache passen und wiederverwendet werden können. Speicherzugriffe sollten möglichst sequentiell erfolgen; unregelmäßige oder große Sprünge zwischen Speicheradressen erhöhen Cache-Misses. Cache-Liniengröße (typisch einige Dutzend Bytes) bedeutet, dass benachbarte Daten oft gemeinsam geladen werden. In Mehrkernprogrammen kann falsches Teilen von Cache-Linien zu Performanceverlusten führen; hier helfen Padding, Datenlokalität pro Thread oder Thread-Local-Data.

Vorteile cachefreundlicher Gestaltung zeigen sich oft deutlich in numerischer Software, Verarbeitung großer Datenmengen oder datenbanknahen Anwendungen. Nachteile können erhöhte Komplexität oder weniger klare Abstraktionen sein; daher ist eine Balance zwischen Lesbarkeit, Portabilität und Lokalität sinnvoll. Tools wie Performance-Counters helfen, Cache-Hits und -Misses zu messen.