コピーオンライト

2025年10月22日

コピーオンライト

英語表記: Copy-on-Write

概要

コピーオンライト（Copy-on-Write, CoW）は、データ構造の効率的な管理を実現するためのメモリ管理戦略であり、特に「永続/純粋構造」の文脈で非常に重要な役割を果たします。この技術の核心は、データの読み取り時には複数の場所でメモリを共有し、実際にそのデータに対する書き込み（変更）が発生するまで、コピーの作成を遅延させる点にあります。これにより、更新操作を行っても元のデータ構造を破壊しないという、永続データ構造の特性を、メモリ使用量を抑えつつ、かつ高速に実現することが可能になります。

詳細解説

コピーオンライトは、データ構造（リストやツリーなど）を扱う際に、非破壊的な更新、すなわち永続性（パーシステンス）を追求する上で欠かせない技術です。私たちが普段プログラムでデータを扱う際、多くの場合、データを変更すると元のデータが上書きされてしまいますが、永続構造では更新後も元のデータが保持されます。この魔法のような仕組みを支えているのがCoWなのです。

永続構造におけるCoWの役割

データ構造（リスト, スタック, キュー, ツリー）の文脈において、CoWが属する「特殊データ構造」の「永続/純粋構造」という分類は、関数型プログラミングや並行処理において特に重要視されます。永続構造は、一度作成されたデータ構造は不変である（イミュータブルである）という前提に基づいています。

もしCoWがなければ、リストの要素を一つ変更するだけでも、リスト全体を丸ごとコピーし直す必要があり、これは非常に非効率的です。例えば、巨大なツリー構造の末端のノードを一つだけ変更したい場合、ツリー全体をディープコピーするのは、時間とメモリの無駄遣い以外の何物でもありません。

CoWはこの非効率性を解決します。

動作原理と主要コンポーネント

CoWの動作は、主に「参照カウンタ」という仕組みに依存しています。

初期状態（共有）: データ構造（特定のメモリブロック）が作成されると、複数の変数やプロセスがそのメモリブロックを参照し始めます。システムは、このメモリブロックを「何カ所から参照されているか」を示す参照カウンタを保持します。最初はカウンタの値は1以上です。
読み取り操作: 参照元が増えても、読み取り操作は元の共有メモリに対して行われるため、非常に高速です。この時点ではコピーは発生しません。
書き込み操作（遅延コピーの発動）: いずれかの参照元が、共有されているデータ構造の特定の部分に対して変更（書き込み）を行おうとした瞬間、システムは参照カウンタを確認します。
コピーの実行:
- もし参照カウンタが1より大きい（つまり、他の参照元と共有されている）場合、システムは「おっと、今変更されたら、他の参照元に影響が出てしまう！」と判断し、その変更が必要なメモリブロックだけを新しくコピーします。
- このコピーに対して変更が適用され、新しいデータ構造のバージョンが誕生します。同時に、元のメモリブロックの参照カウンタは減少し、新しいコピーの参照カウンタは1（もしくはそれ以上）になります。
- もし参照カウンタが1だった場合（つまり、その参照元だけがデータを持っていて共有されていない場合）、コピーする必要はなく、直接上書き（インプレース更新）が行われる場合もあります。

この仕組みにより、変更されない大部分のデータは元の構造と共有され続け、メモリのオーバーヘッドを最小限に抑えつつ、非破壊的な更新（永続性）が実現されるわけです。これが永続構造の性能の秘密であり、本当に賢い方法だと感心しますね。

具体例・活用シーン

コピーオンライトは、データ構造の効率的なバージョン管理に不可欠です。

活用シーン：永続リストの効率的な更新

私たちが永続リスト（更新しても元のリストが残るリスト）を操作する場面を想像してください。

元のリスト: L1 = [A, B, C, D, E]
操作: リストの先頭要素AをXに変更したいとします。

CoWを使わない場合、新しいリストL2 = [X, B, C, D, E]を作るために、B, C, D, Eの要素も全てコピーする必要があります。これは無駄です。

CoWと永続構造の組み合わせでは、以下のように処理されます。

新しい要素Xを格納するノードを作成します。
この新しいノードXは、既存のノードBを指すように設定されます。
新しいリストのヘッダ（L2）を作成し、Xを指すようにします。
結果として、L2はX→B→C→D→Eという構造になりますが、B以降のノード（B, C, D, E）は、元のリストL1とメモリを共有したままです。

このように、変更が必要なノード（この場合はリストの先頭ノードとそれを指すヘッダ）だけが新しく作成され、残りのデータは共有されるため、更新コストが要素数に比例せず、変更された部分の深さや幅に依存する形になります。これは、永続構造を実用的なものにする決定的な要素です。

アナロジー：共同編集ドキュメントのバージョン管理

コピーオンライトの考え方を理解するための比喩として、「マスタードキュメントの共同編集」を考えてみましょう。

ある会社に、非常に重要なマスタードキュメント（元のデータ構造）があります。

共有状態: 部署Aと部署Bのメンバー全員が、このマスタードキュメントの「閲覧権限」を持っています。みんなが同じドキュメントを参照しています（参照カウンタ > 1）。
読み取り: 部署Aの人がドキュメントを読むだけなら、何も問題ありません。コピーの必要もありません。
書き込み要求: 部署Bのメンバーが「このドキュメントの第3章を修正したい」と申し出たとします（書き込み操作）。
CoWの発動: システム（秘書）は、「待ってください。それはマスタードキュメントなので、他の部署と共有しています。直接書き換えるとA部署の作業に影響が出ます」と伝えます。
コピーの実行: 秘書は、第3章の修正に必要なページだけをコピーし、部署Bに渡します。そして部署Bは、このコピーされたページに対して修正を加えます。
結果: 部署Aは引き続き元のマスタードキュメント（旧バージョン）を参照でき、部署Bは修正された新しいドキュメント（新バージョン）を参照します。修正されていない他の章（共有されているデータ部分）は、物理的にコピーされずに、両方のドキュメントから参照され続けています。

このように、CoWは「必要な時までコピーをしない」「共有を最大限に活用する」という、非常に合理的なリソース管理哲学に基づいているのです。

資格試験向けチェックポイント

コピーオンライトは、特に応用情報技術者試験や基本情報技術者試験において、メモリ管理やOSのプロセス管理、あるいは関数型プログラミングの効率性に関連して出題されることがあります。永続データ構造という文脈で問われる場合は、そのメリットと動作原理を正確に理解しておく必要があります。

| 試験レベル | 典型的な出題パターンと対策 |
| :— | :— |
| ITパスポート試験 (FE) | 定義の理解：「書き込みが発生するまでコピーを遅延させる技術」として、用語の選択肢として問われる可能性があります。主にメモリ効率化の手段として認識しておきましょう。 |
| 基本情報技術者試験 (AP) | メリットとデメリット：CoWの最大のメリットは「メモリ使用量の削減」と「高速な読み取り」です。一方、デメリットとして「書き込み時にコピー処理が発生するため、一時的に遅延が生じる可能性がある」点が問われます。また、CoWを実現するための「参照カウンタ」の概念も重要です。 |
| 応用情報技術者試験 (AP) | 永続構造との関連性：永続データ構造（イミュータブルな構造）を実現するための技術として、その効率性や、メモリ共有の仕組みについて深く問われます。特に、リストやツリー構造において、一部のノードの更新がどのようにして全体のコピーを回避しているのか（構造共有）を理解しておく必要があります。 |

試験対策のヒント:

「非破壊的更新」とセットで覚える: CoWは、永続構造における非破壊的更新を「実用的なレベル」で実現する技術です。このペアを覚えておけば、文脈を間違えません。
コストの理解: 読み取りは安価（高速）ですが、書き込みは参照カウンタのチェックと、必要な場合のコピーコストがかかるため、一時的に高価になる可能性がある、というトレードオフを覚えておきましょう。
メモリ管理の効率化: CoWの主な目的は、同じデータを参照する複数のプロセス間でメモリを共有し、無駄な重複コピーを防ぐことです。