MESI（メシ）

2025年10月24日

MESI（メシ）

英語表記: MESI

概要

MESI（メシ）プロトコルは、マルチプロセッサシステムにおいて、各CPUコアが持つローカルキャッシュメモリ間でデータの一貫性（コヒーレンシ）を保つための基本的な仕組みです。マイクロアーキテクチャ（Intel 64, ARM, RISC-V）において、メモリサブシステムの信頼性と性能を両立させるために不可欠な技術要素となっています。このプロトコルは、キャッシュラインが取りうる状態を「Modified（M）」「Exclusive（E）」「Shared（S）」「Invalid（I）」の4つに分類し、これらの状態を厳密に管理することでデータの整合性を保証します。

詳細解説

コヒーレンシの課題とMESIの役割

現代のマイクロアーキテクチャでは、処理速度の速いCPUコアが、主メモリよりもアクセス速度の速いキャッシュメモリ（L1, L2など）を持ちます。複数のコアが独立して動作するマルチコア環境では、あるコアがキャッシュ内のデータを更新しても、他のコアのキャッシュや主メモリにはその更新が反映されていないという「データの不整合」が発生しやすくなります。この不整合を防ぎ、すべてのコアが常に最新のデータにアクセスできるようにする仕組みこそが、メモリサブシステムにおけるコヒーレンシの役割であり、MESIはその実現の中核を担っています。

MESIは、バス監視（Bus Snooping）と呼ばれる技術と組み合わせて動作します。各コアは、システムバス上を流れる他のコアのメモリ操作リクエストを常に監視（スヌーピング）しています。そして、そのリクエストに応じて、自分が持つキャッシュラインの状態を適切に遷移させることで、コヒーレンシを維持しているのです。この仕組みがあるからこそ、私たちはマルチコアCPUの性能を最大限に引き出せるわけですから、本当に賢い設計だと感心しますね。

MESIの4つの状態

MESIプロトコルの根幹をなすのは、キャッシュラインが取りうる以下の4つの状態です。これらの状態を理解することが、MESIの動作を把握する鍵となります。

| 状態 | 英語表記 | 意味 | 主な特徴 |
| :— | :— | :— | :— |
| M | Modified | 更新済み | キャッシュ内のデータが主メモリの内容と異なり、かつ、このコアのみが保持している状態です。書き戻しが必要です。 |
| E | Exclusive | 排他的 | キャッシュ内のデータが主メモリの内容と一致しており、かつ、このコアのみが保持している状態です。 |
| S | Shared | 共有 | キャッシュ内のデータが主メモリの内容と一致しており、複数のコアが読み取り専用で共有している状態です。 |
| I | Invalid | 無効 | キャッシュ内のデータが無効であり、使用できない状態です。主メモリから再読み込みが必要です。 |

状態遷移の仕組み

MESIプロトコルの動作は、主に「読み込み（Read）」と「書き込み（Write）」の操作、そして他のコアからのスヌーピングによる要求によって、この4つの状態間を移動することによって成り立っています。

例えば、あるコア（コアA）がS（共有）状態のデータを書き換えたいと考えた場合を想像してみましょう。

コアAは、システムバスを通じて「排他的な書き込み権限が欲しい」というリクエストをブロードキャストします（これは他のコアに対する通知です）。
このリクエストを受け取った他のコア（コアB、コアCなど）は、もし同じデータをキャッシュに持っていた場合、そのキャッシュラインの状態を直ちにI（無効）に遷移させます。これを「インバリデート（無効化）」と呼びます。
すべての共有キャッシュが無効化されたことを確認した後、コアAのキャッシュラインはM（更新済み）状態に遷移し、排他的な書き込み権限を得ます。
コアAが書き込みを完了すると、そのデータは主メモリとは異なる「ダーティデータ」となり、M状態が維持されます。

このように、MESIは読み取り時には複数のコアで共有（S状態）を許容し、書き込み時には排他制御（MまたはE状態）を行うことで、性能を保ちつつコヒーレンシを実現しているのです。特に、E（排他的）状態は非常に巧妙で、他のコアがそのデータを持っていないことが分かっているため、次の書き込み時にバスへの通知（インバリデート）を省略できる場合があり、これが性能向上に大きく寄与します。

具体例・活用シーン

MESIの動作を理解するために、複数の編集者が一つの共有ドキュメント（主メモリ）を編集する状況を例に考えてみましょう。このドキュメントの各段落が「キャッシュライン」に相当します。

ドキュメント編集のメタファー

I（無効）状態: あなたのパソコンには、その段落のデータが存在しない状態です。読んだり編集したりするには、サーバー（主メモリ）から取得する必要があります。
S（共有）状態: あなたを含め、複数の人がその段落のコピーを持っており、皆が「読み取り専用」で参照している状態です。サーバーの内容と完全に一致しています。
E（排他的）状態: あなただけがその段落のコピーを持っており、サーバーの内容と一致しています。まだ編集はしていませんが、もし編集を開始しても、他の人に通知する必要がない（誰も持っていないから）という特権的な状態です。
M（更新済み）状態: あなたがその段落を編集し、サーバーの内容とは異なる、最新のバージョンを持っている状態です。他の人がこの段落を読みたがった場合、あなたは編集内容をサーバーに書き戻すか、直接その人に渡す責任があります。まさに「編集長」のような立場ですね。

活用シーン：マルチスレッド処理

私たちが日常的に利用している、Webブラウザやゲーム、大規模なデータ分析アプリケーションなどは、すべてマルチスレッドで動作しています。これらのアプリケーションがスムーズに動くのは、マイクロアーキテクチャ内のメモリサブシステムがMESIプロトコルによって効率的にコヒーレンシを維持しているからです。

例えば、ゲームAIが複数のコアで同時にキャラクターの位置情報を更新しようとしたとき、MESIが働かないと、あるコアは古い位置情報に基づいて判断を下してしまい、キャラクターが壁をすり抜けたり、予期せぬ動作をしたりするでしょう。MESIは、これらのコア間のデータのやり取りを迅速かつ正確に管理することで、複雑な処理を破綻なく実行可能にしている、縁の下の力持ちなのです。