MESI/MOESI

2025年10月24日

MESI/MOESI

英語表記: MESI/MOESI

概要

MESI/MOESIプロトコルは、マルチコアプロセッサの「マイクロアーキテクチャ」において、高性能化の鍵となる「メモリサブシステム」の根幹を支える技術です。具体的には、複数のCPUコアがそれぞれ持つローカルキャッシュ間でデータの一貫性（コヒーレンシ）を保つために使用されるステートベースのプロトコルだと理解してください。このプロトコルがあるおかげで、我々は複雑な並列処理を行う際に、どのコアからメモリにアクセスしても常に最新の正しいデータが得られることが保証されています。

詳細解説

コヒーレンシ維持の必要性（階層構造との関連）

現代のマイクロアーキテクチャ（Intel 64やARM、高性能なRISC-Vなど）では、処理速度を上げるために、各コアが非常に高速なキャッシュメモリ（L1、L2）を持っています。しかし、複数のコアが同じメインメモリ上のデータ（キャッシュライン）をコピーし、それぞれが独立に書き込みを行うと、データ間で不整合が生じてしまいます。これが「キャッシュコヒーレンシ問題」です。

MESI/MOESIプロトコルは、このコヒーレンシ問題を解決するために、キャッシュラインごとに特定の状態（ステート）を割り当て、その状態に基づいてコア間のトランザクション（読み書きの操作）を制御します。この仕組みこそが、「メモリサブシステム」の信頼性を確保する上で最も重要な要素なのです。

MESIプロトコルの4つの状態

MESIは、Modified（変更済み）、Exclusive（排他）、Shared（共有）、Invalid（無効）の頭文字を取ったもので、キャッシュラインが以下のいずれかの状態にあることを示します。この4つの状態遷移を理解することが、MESIプロトコルの核心です。

動作原理：バススヌーピングとの連携

MESIが機能するためには、「バススヌーピング（Bus Snooping）」という技術が不可欠です。各コアは、共通のシステムバス上を流れる他のコアのメモリアクセス要求を常に「盗み見（スヌープ）」しています。

例えば、あるコアAがM状態のデータXを持っているとします。コアBがデータXを読み込もうとしてバスに要求を流すと、コアAはその要求をスヌープし、「自分が最新のデータを持っている」と判断します。この場合、コアAはデータXをコアBに提供すると同時に、自身の状態をMからS（共有）に遷移させます。コアBも受け取ったデータXをS状態としてキャッシュに保持します。このように、他のコアの操作を監視し、自らのキャッシュラインの状態を適切に遷移させることで、常にデータの一貫性が保たれるわけです。

MOESIプロトコル：Owner状態の追加

MOESIは、MESIに「Owner (O)」状態を追加した拡張プロトコルです。これは特に高性能なIntelプロセッサなどで採用されています。

O (Owner): オーナー（所有者）状態は、データが変更されている（ダーティである）が、同時に共有（Shared）されていることを示します。M状態と異なり、他のコアもそのデータをS状態で持っている可能性があります。オーナーコアは、メインメモリへの書き戻しの責任を持つと同時に、他のコアからの要求に応じてデータを提供する責任も持ちます。

MOESIの利点は、M状態からS状態への遷移時に、必ずしもメインメモリへのライトバック（書き戻し）を必要としない点です。Ownerコアがダーティデータを保持したまま、他のコアに直接データを提供できるため、メモリサブシステムにおけるトランザクションの遅延を減らし、全体的な性能を向上させることができます。これは、マイクロアーキテクチャ設計における最適化の典型例と言えるでしょう。

具体例・活用シーン

1. 共同プロジェクトのファイル管理（アナロジー）

MESI/MOESIプロトコルを理解するために、複数のエンジニア（CPUコア）が共同で重要な設計図ファイル（キャッシュライン）を管理する状況を想像してみましょう。

I (無効): フォルダにファイルがない状態です。
E (排他): ファイルをダウンロードし、まだ誰にも共有していません。メインサーバー（メインメモリ）のものと内容は同じですが、自分が書き込みたい放題です。
M (変更済み): ファイルをダウンロードし、大幅に修正しました。この修正版はメインサーバーにはまだアップロードされていません。他の人がこのファイルを使いたい場合、まず私に連絡し、私の修正版を受け取らなければなりません。
S (共有): みんなが同じファイルをダウンロードして参照しています。内容はメインサーバーのものと同じです。誰かが書き込みたい場合、まず「みんなのコピーを破棄してくれ」と宣言する必要があります。
O (オーナー): ファイルを大幅に修正しましたが、「責任者」として他のメンバーにも配布しています。他のメンバーは古いバージョンのメインサーバーではなく、私から最新版を受け取ります。メインサーバーへのアップロード（ライトバック）は後回しにできるため、作業がスムーズに進みます。

この例のように、MESI/MOESIは、分散した環境（マルチコア）でデータの一貫性を保ちながら、いかに効率的に作業（処理）を進めるか、という「メモリサブシステム」の課題を見事に解決しているのです。

2. データベースサーバーでの活用

高性能なデータベースサーバーや仮想化環境では、多数のCPUコアが同時に大量のトランザクションを処理します。これらのシステムでは、データの一貫性が何よりも重要です。

例えば、ある顧客の口座残高データを複数のコアが読み書きする場合、MESI/MOESIプロトコルが裏側で稼働し、残高データが常に最新であることを保証します。もしプロトコルがなければ、コアAが残高を100に更新した直後に、コアBが古い残高（例えば50）を読み込んでしまい、致命的なエラーを引き起こすでしょう。マイクロアーキテクチャのレベルでコヒーレンシが保証されているため、アプリケーション開発者はその複雑な制御を意識する必要がありません。

資格試験向けチェックポイント

MESI/MOESIは、特に基本情報技術者試験や応用情報技術者試験において、コンピュータアーキテクチャやメモリ管理の知識を問う上で頻出するテーマです。タクソノミの「メモリサブシステム」と「コヒーレンシ」の文脈でしっかりと押さえておきましょう。

コヒーレンシ問題の解決策であること: キャッシュコヒーレンシの問題を解決する主要な仕組みとして、MESIプロトコルの存在を理解することが重要です。「マルチコア環境でデータの一貫性を保つための技術は何か？」という問いには、必ず関連付けられる知識です。
4つの状態の定義（M, E, S, I）: 各状態の頭文字と、それが「メインメモリとの一致性」および「他のキャッシュのコピーの有無」とどう関係するかを明確に区別して覚えてください。特にM状態（ダーティ）とE状態（クリーンだが排他）の違いは頻繁に問われます。
バススヌーピングとの連携: MESIが受動的（スヌープによって状態遷移がトリガーされる）なプロトコルであることを理解しておきましょう。状態遷移図を完璧に覚える必要はありませんが、「他のコアの操作を見て、自分のキャッシュの状態を変える」という動作原理は押さえておくべきです。
MOESIの目的: MOESIはMESIの拡張であり、特に「Owner (O)」状態がライトバックの頻度を減らし、性能を向上させるために導入されたことを理解していれば十分です。応用情報技術者試験では、この性能向上のメカニズムが問われる可能性があります。
タクソノミ全体像の把握: このプロトコルは、あくまで「マイクロアーキテクチャ」の設計（Intel 64, ARMなど）の一部であり、高速化を追求する「メモリサブシステム」において、信頼性（コヒーレンシ）を担保するための土台であることを常に意識してください。