MESI プロトコル（MESI: メシ）

2025年10月23日

MESI プロトコル（MESI: メシ）

英語表記: MESI Protocol

概要

MESIプロトコルは、マルチコアCPU環境において、各コアが持つローカルなキャッシュメモリ間でデータの一貫性（キャッシュコヒーレンシ）を保つために使用される、非常に重要な仕組みです。これは、CPUの仕組み（命令セット, パイプライン）の中で、特に高速化のために導入されたキャッシュが引き起こすデータの不整合を防ぐための中心的なルールセットだと理解してください。具体的には、キャッシュライン（キャッシュの最小単位）が取りうる4つの状態（Modified, Exclusive, Shared, Invalid）を定義し、データの読み書きに応じてこれらの状態を厳密に管理することで、どのコアから見ても常に最新のデータにアクセスできるように保証しています。

詳細解説

キャッシュコヒーレンシ問題とMESIの役割

現代のCPUは、処理速度を向上させるために複数のコア（マルチコア）を持ち、さらに各コアが高速なキャッシュメモリ（L1, L2キャッシュなど）を持っています。しかし、このキャッシュシステムが導入されたことで、新たな問題が発生しました。それが「キャッシュコヒーレンシ問題」です。

例えば、コアAがメモリ上のデータXを読み取り、自身のキャッシュにコピーしたとします。その後、コアBも同じデータXを読み取り、コアBのキャッシュにもコピーされます。もしコアAがデータXを書き換えた場合、コアBのキャッシュにあるデータXは古いままになってしまい、システム全体でデータの整合性が失われてしまうのです。

MESIプロトコルは、このデータ不整合を防ぐために、キャッシュコヒーレンシを維持する役割を担っています。これは、CPUの仕組み（命令セット, パイプライン）における高速化の恩恵を、マルチコア環境でも安全に享受するための土台と言えるでしょう。

4つの状態と動作原理

MESIプロトコルは、キャッシュラインごとに以下の4つの状態のいずれかを割り当て、データの読み書きや他のコアからのアクセスに応じて状態を遷移させます。この状態管理が、プロトコルの核となる部分です。

| 状態名 | 英語（頭文字） | 意味 | 動作 |
| :— | :— | :— | :— |
| Modified | M | 変更済み | データはローカルキャッシュでのみ変更されており、主メモリへはまだ書き戻されていません。このコアが排他的な所有権を持ちます。 |
| Exclusive | E | 排他的 | データは主メモリと同じですが、このキャッシュラインを持っているのはこのコアだけです。他のキャッシュにはコピーがありません。 |
| Shared | S | 共有 | データは主メモリと同じで、複数のコアのキャッシュで共有されています。書き込み時には、他のコピーを無効化する必要があります。 |
| Invalid | I | 無効 | このキャッシュラインのデータは古く、使用できません。読み書きを行うには、主メモリまたは他のキャッシュから最新のデータを取得する必要があります。 |

動作の仕組み：スヌーピング

MESIプロトコルが機能するためには、「スヌーピング（Snooping）」という技術が不可欠です。

マルチコアシステムでは、すべてのコアが共通のシステムバスを介して主メモリにアクセスします。スヌーピングとは、各コアのキャッシュコントローラが、このシステムバス上で行われる他のコアの読み書きトランザクションを常に監視（スヌープ）している状態を指します。

例えば、あるコアがShared状態のデータに対して書き込みを行う場合、そのコアはバス上に「私はこのデータを書き換えます」という信号を送ります。他のコアがその信号をスヌープすると、自身のキャッシュにある同じデータの状態を自動的にInvalid（無効）に切り替えるのです。これにより、次にそのコアがデータを読み込もうとしたとき、無効なデータを使わずに、主メモリ（または書き換えたコアのキャッシュ）から最新のデータを取得し直すことが保証されます。

この連携により、マルチコアと SMT（同時マルチスレッディング）によって並行性が高まるほど複雑になるデータ管理を、自動的かつ透過的に行うことができるのです。

具体例・活用シーン

図書館の共有ファイル管理の比喩

MESIプロトコルは、共同で利用する「重要なマニュアル（データ）」の管理に似ています。

1. 排他的（E）な状態

あなたが図書館（主メモリ）から、まだ誰も借りていないマニュアルを借りてきたと想像してください。あなただけがそのマニュアルを持っているので、あなたは「排他的（Exclusive）」な状態です。もしあなたがそれを少し書き直したとしても（Modified）、他の誰も影響を受けません。

2. 共有（S）な状態

もし、あなたが借りたマニュアルをコピー機で複製し、複数のチームメンバー（他のコア）に配ったとします。このとき、マニュアルは「共有（Shared）」状態になります。全員が同じ内容を見ていますが、誰も勝手に書き換えてはいけません。

3. 変更（M）と無効化（I）の発生

ここで、あなたがマニュアルの重要な箇所を修正し、最新版を作成したとします（Modified）。このとき、あなたはすぐにチーム全員に「私が今、最新版を作ったので、あなたが持っている古いコピーはすべて無効（Invalid）になりました！」と連絡を入れます。

チームメンバーは、あなたの連絡（バス上のスヌーピング信号）を受け取り、手持ちの古いマニュアルを破棄（Invalid状態へ遷移）します。次に誰かがそのマニュアルを使いたいときは、主メモリではなく、最新版を持つあなた（Modified状態のキャッシュ）から受け取るか、主メモリに書き戻された最新版を参照する仕組みです。

このように、MESIプロトコルは、データが「排他的か」「共有されているか」「書き換えられているか」を明確にし、共有されたデータが書き換えられた瞬間に、他のすべてのコピーを無効化することで、データの整合性を完璧に保っているのです。これはマルチコアCPUが協調して動作するために、欠かせない交通整理のルールだと言えますね。

活用シーン

MESIプロトコルは、現在市場に出回っているほぼすべての高性能マルチコアプロセッサ（Intel, AMDなど）で採用されています。特に、データベース処理や大規模なシミュレーションなど、複数のスレッドが頻繁に同じデータ領域にアクセスし、書き換えを行うような並列処理環境において、その真価を発揮します。もしこのプロトコルがなければ、プログラムは意図しない古いデータを使ってしまい、結果が信頼できないものになってしまうでしょう。

資格試験向けチェックポイント

MESIプロトコルは、応用情報技術者試験や基本情報技術者試験の午後問題、さらにはITパスポート試験の知識問題としても出題されることが増えています。特に、CPUの仕組み → マルチコアと SMT → キャッシュコヒーレンシという文脈で問われることが多いです。

最重要キーワード：キャッシュコヒーレンシ
- MESIプロトコルの目的は、マルチコア環境における「キャッシュコヒーレンシ（データの一貫性）」の維持であると明確に覚えてください。この目的を問う選択肢は頻出です。
4つの状態の頭文字と意味
- M (Modified)、E (Exclusive)、S (Shared)、I (Invalid) の頭文字と、それぞれの状態が何を意味するか（特にMとI）を把握しておく必要があります。特に「Modified」は、主メモリとデータが一致していない、つまり「このキャッシュが最新である」ことを示すため、重要です。
動作原理：スヌーピング
- MESIがどのように他のコアの操作を知るのか、という問いに対して「バスを監視する（スヌーピング）」という仕組みが回答となります。この監視機構と状態遷移がセットで出題されることが多いです。
出題パターン
- 基本情報・ITパスポート: 「マルチコア環境でデータの一貫性を保つ仕組みとして適切なものはどれか」という形式で、キャッシュコヒーレンシやMESIプロトコルが正解肢となるパターン。
- 応用情報: 状態遷移図の一部が空欄になっており、ある操作（例: 他のコアが書き込みを行った）が発生した際に、現在の状態からどの状態に遷移するかを問う、より具体的な知識が求められるパターン。