メモリ階層とキャッシュコヒーレンシ（MESIプロトコル）

メモリ階層：速度と容量のトレードオフ

CPU から見たメモリは1枚ではなく、速いが小さい上位 から 遅いが大きい下位 へと連なる階層です。レジスタの次に来るのがキャッシュで、典型的には3段あります。

上位が小さいのは、SRAM が高速だが高価でダイ面積を食うからです。下位の DRAM は安く大容量だが遅い。この差を埋めるため、CPU はアクセスした その近傍 を先に上げておき、参照の局所性（直近に触ったデータと、その隣を再び触りやすい性質）を利用してヒット率を稼ぎます。L3 は全コアで共有され、メインメモリへの最後の砦（Last Level Cache）として働きます。

キャッシュライン：出し入れの最小単位

キャッシュはバイト単位ではなく、キャッシュライン という固定長ブロック単位でメモリと往復します。x86-64 や多くの ARM で 64バイト が標準です。1バイト読むだけでも、それを含む64バイト境界のラインが丸ごと上がってきます。

アドレス 0x1000 の1バイトを読む
  → 0x1000〜0x103F（64バイト）のラインがL1へ充填される
  → 隣接データもついでにキャッシュ済み（空間的局所性の活用）

この「64バイト一括」という性質が、後述するフォルスシェアリングの根本原因になります。まずは正しさ、つまり 複数コアが同じラインを持っても値が矛盾しない仕組み を見ます。

なぜコヒーレンシが要るのか

各コアは自分の L1/L2 に独立したコピーを持てます。コア0が変数 x を読んで L1 に載せ、コア1も同じ x を載せる。ここでコア0が x を書き換えると、コア1の L1 には古い値が残ったまま になります。コア1がそれを読めば、書かれたはずの値が見えません。

この「全コアが、ある番地について 同じ最新の値 を観測できる」性質が キャッシュコヒーレンシ（一貫性） です。これをハードウェアが自動で保証する代表的な仕組みが MESIプロトコル です。

MESIプロトコル：4状態でラインを管理する

MESI は各コアのキャッシュ内の 各ライン に、次の4状態のいずれかを持たせます。頭文字を取って MESI です。

肝は M と E は「自分だけが持つ」排他状態、S は「複数で共有」、I は「持っていないのと同じ」 という区別です。コアがラインを 書き込める のは、それを排他的に持つ M か E のときだけ。S や I の状態で書こうとすると、まず排他権を取りに行きます。

書き込みの流れを追うと理解できます。

コア1が、S状態で持つラインに書き込みたい
  1. バスへ "Invalidate（無効化）要求" を投げる
  2. 同ラインをSで持つ他コアは、自分のコピーを I へ落とす
  3. コア1のラインは S → M へ遷移し、書き込みを実行
  → 以降そのラインは「コア1だけが持つ最新版」になる

逆に、I のラインを 読みたい ときは「読み取り要求」を投げます。誰も持っていなければメモリ（または L3）から取って E、既に他コアが持っていれば共有して S になります。E から自分が書けば S を経ずに M へ 進めるため、競合のない単独アクセスは無効化通信なしで高速に書けます。これが E 状態を設けた理由です。

MESIF/MOESI：転送と共有ダーティの最適化

MESI には弱点があります。あるラインを複数コアが S で共有しているとき、別コアがそれを読みたいと要求すると、誰が応答すべきか が曖昧で、結局メモリから読み直すことになりがちです。これを改良した派生が広く使われています。

• MESIF（Intel系）: S を細分化し、共有コピーのうち1つだけを F（Forward） に指定する。読み取り要求には F を持つコアが代表して応答するため、メモリアクセスを避けてキャッシュ間で素早く転送できる。F は最後に読み込んだコアへ移っていく。
• MOESI（AMD系/一部ARM）: O（Owned） を追加する。M のラインを他コアが読みたいとき、MESI では一度メモリへ書き戻して S にする必要があるが、MOESI では書き戻さずに O（自分が最新を保持しつつ他コアへ S で共有） へ落とせる。メモリとは不一致のまま共有を許す点が新しい。

分岐の系統（読み取り共有時の応答役を誰が担うか）
  MESI  ── 共有時は代表応答役なし → メモリから読み直しがち
   ├─ MESIF：F状態を1つ立て、Fが代表応答（Intel）
   └─ MOESI：O状態で「ダーティのまま共有」を許す（AMD）

いずれも目的は同じで、キャッシュ間の直接転送を増やし、遅いメモリアクセスを減らす ことです。状態数は増えますが、基本の M/E/S/I の意味は保たれます。

フォルスシェアリング：偽りの共有による性能低下

ここでメモリ階層とコヒーレンシが結びつきます。MESI は キャッシュライン単位 で状態を管理するため、論理的には無関係な2つの変数でも、同じ64バイトラインに同居していると1つの単位として扱われます。

struct {
  long a;   // コア0が頻繁に更新
  long b;   // コア1が頻繁に更新
} s;        // a と b が同じ64バイトラインに同居しがち

コア0が a を書くたびに、そのラインは M になり、b しか触っていないコア1のコピーまで I へ無効化 されます。コア1は次に b を読むだけでミスし、ラインを取り直す。互いに相手のラインを無効化し合い、ラインがコア間を行き来する キャッシュラインの ping-pong が起きます。データは共有していないのに共有しているかのように振る舞うので フォルスシェアリング（偽共有） と呼びます。

対策は 競合する変数を別のラインへ追い出す ことです。間にダミーを詰めてラインサイズ境界に揃えます。

struct {
  long a;
  char pad[56];   // 64 - 8 = 56バイト詰めて a を独立ラインに
  long b;
} s;              // a と b が別ラインに分かれ、相互無効化が消える

C++ なら alignas(64)、Java なら @Contended（JEP 142）といった言語機能でも同じ分離ができます。逆に、読み取り専用で共有されるデータはむしろ詰めて1ラインに収める ほうがキャッシュ効率がよく、対策はあくまで「書き込みが競合する変数」に限る点が要です。

まとめ