Välimuisti eli cache on pieni, nopea muisti, jonka tehtävä on nopeuttaa tietokoneen toimintaa. Välimuistissa pyritään pitämään sellaisten muistipaikkojen sisältöjä, joihin todennäköisesti pian viitataan.

Muistihierarkia

Ihannetapauksessa tietokoneessa olisi käytettävissä suuri määrä hyvin nopeaa muistia, mutta käytännössä tilanne on aina toinen: suurikapasiteettisesta muistista on vaikea tehdä nopeaa, ja nopea muisti on kallista. Tästä syystä on järkevää tehdä muistista hierarkia, jossa mahdollisimman lähellä suoritinta on pienin ja nopein muisti, vähän siitä kauempana vähän suurempi ja vähän hitaampi, ja kaikkein kauimpana suurin ja hitain. Nopeimmassa muistissa pyritään pitämään aina sitä osaa tiedosta, jota suurimmalla todennäköisyydellä tullaan pian tarvitsemaan, ja hitaimmassa muistissa on tallessa kaikki talletetut tiedot.

Suorittimen rekisterit ja massamuistilaitteet kuten kiintolevyt voidaan myös ajatella osaksi muistihierarkiaa, vaikka ne toimivatkin eri tavalla: rekistereiden käyttö on määritelty jo ohjelmakoodissa ja kiintolevylle sivuttamisesta huolehtii käyttöjärjestelmä virtuaalimuistin avulla.

Tietokoneohjelmien muistinkäyttö on yleensä toistuvaa ja paikallista. Tämä tarkoittaa sitä, että jos jotain kohtaa muistista on juuri käytetty, sitä tai sen lähellä olevia muistipaikkoja tullaan suurella todennäköisyydellä käyttämään lähitulevaisuudessa.
Välimuisti perustuu näihin huomioihin. Aina kun muistista haetaan tietoa, tarkastetaan ensin löytyykö tieto välimuistista. Jos tieto löytyy jo ennestään välimuistista, se haetaan suoraan sieltä. Tätä kutsutaan välimuistin osumaksi. Jos tietoa ei löydy välimuistista, se haetaan hitaammasta muistista ja talletetaan samalla välimuistiin. Tätä kutsutaan välimuistihudiksi. Jos välimuisti on täysi, siellä ollut vanhempi tieto väistyy uuden tieltä. Jos välissä on ollut paljon muita muistioperaatiota ennen kuin samaa tietoa tarvitaan uudelleen, tieto ei enää olekaan välimuistissa, ja se pitää hakea uudestaan hitaammasta muistista.

Koska edellisten muistioperaatioiden käyttämien osoitteiden lähellä olevia osoitteita tullaan suurella todennäköisyydellä käyttämään, välimuistiin tallennetaan yleensä joitain muistipaikkoja haetun osoitteen ympäriltä. Tällöin myös näihin lähimuistiosoitteisiin viittaavat muistihaut voivat osua välimuistiin, vaikka kyseisestä osoitteesta ei olekaan haettu tietoa lähiaikoina.
Välimuistin osumien suhdetta kaikkien muistioperaatioiden määrään kutsutaan välimuistin osumatarkkuudeksi. Tämä luku ei ole mikään kiinteä yleispätevä luku, vaan se vaihtelee järjestelmän kuormitusasteen ja ohjelmien käyttäytymisen mukaan.