Copy-on-Write（コピーオンライト）

2025年10月26日

Copy-on-Write（コピーオンライト）

英語表記: Copy-on-Write

概要

Copy-on-Write（CoW）は、「書き込み時にコピーする」という名の通り、データブロックを更新する際に、元のブロックを直接上書きせずに、変更後のデータをストレージ内の新しい領域に書き込む手法です。これは、ストレージデバイス（HDD, SSD, NVMe）におけるファイルシステムのデータ整合性を極めて高く保つための非破壊的な更新戦略であり、特にモダンなファイルシステム（ZFSやBtrfsなど）の根幹をなす技術です。従来の破壊的な上書き方式と異なり、元のデータが常に保護されているため、システムクラッシュや停電が発生した場合でも、データの破損を防ぎ、整合性を容易に回復できるのが大きな特徴です。

詳細解説

Copy-on-Writeは、従来のファイルシステムが抱えていた、トランザクション処理中のシステム停止によるデータ不整合（部分的な書き込みによる破損）という深刻な課題を解決するために開発されました。この技術は、ファイルシステムと論理構造の設計において、データの永続的な整合性（ジャーナリングと整合性）を保証する上で決定的な役割を果たします。

動作原理と目的

CoWの核心的な目的は、データを「破壊的に更新しない」ことです。データブロックに変更要求が発生した場合、CoWを採用したファイルシステムは以下の手順を踏みます。

元のデータの維持: 変更対象のデータブロック（親ブロック）はそのまま保持されます。
新しいブロックへの書き込み: 変更後のデータ（子ブロック）を、ストレージ上の未使用の空き領域に書き込みます。
メタデータの更新: データ本体の書き込みが完了した後、その新しいブロックを指すように、ファイルシステムのメタデータ（ポインタ）を一括で更新します。

この動作により、メタデータの更新が完了するまでは、常に元のデータが参照可能な状態にあります。もし、データ本体の書き込み中や、メタデータの更新が完了する直前にシステムがクラッシュしたとしても、ファイルシステムはまだ古い（整合性が取れている）メタデータを参照しているため、システム再起動後も一貫性のある状態を簡単に復元できます。これは、アトミックな（不可分な）トランザクション処理を実現する上で非常に強力なメカニズムだと感心しますね。

ジャーナリングとの関連と優位性

従来のファイルシステム（例：Ext3/4）では、データ整合性を保つためにジャーナリングを採用していました。ジャーナリングは、主に「メタデータ」の変更履歴をログとして記録し、クラッシュ時にメタデータの整合性を回復する手法です。しかし、データ本体の整合性までは保証しないモード（データジャーナリングなし）も多く、データブロック自体が部分的に書き換えられて破損するリスクがありました。

これに対し、CoWはデータブロック全体を非破壊的に扱い、ポインタの更新のみをアトミックに行うため、メタデータだけでなく、データ本体の整合性も同時に、かつ強力に保証します。これは、ストレージデバイス上に存在するすべての論理構造が、常に有効な状態であることを意味します。

スナップショット機能への貢献

CoWの動作原理は、スナップショット機能を実現する上でも非常に効率的です。スナップショットとは、ある時点のファイルシステムの状態をそのまま保存する機能ですが、CoW環境では、データの変更時にのみ新しいブロックが作成されるため、スナップショットを作成しても、実際にはメタデータに「この時点のポインタを保持する」と記録するだけで済みます。

元のデータブロックは、スナップショットがそれを参照し続けている限り削除されません（リファレンスカウント）。これにより、スナップショット機能が非常に高速かつ省スペースで実現できるのです。これは、大規模なデータ管理において、バックアップや復旧作業を劇的に簡素化する、まさに革新的な側面だと感じます。

具体例・活用シーン

1. 歴史書の編纂（アナロジー）

Copy-on-Writeの仕組みを理解するための良いアナロジーとして、「歴史書の編纂ルール」を考えてみましょう。

ある図書館に、非常に重要な歴史書（データブロック）が保管されているとします。この歴史書の内容を修正（データ更新）したい場合、従来のファイルシステム（上書き方式）では、直接インクで元のページを修正します。もし修正作業中に停電が発生したり、作業者が倒れたりした場合、そのページは途中の修正内容で汚れてしまい、元の正確な情報も、修正後の正確な情報も失われてしまいます。これはデータ破損のリスクそのものです。

一方、Copy-on-Writeのルールはこうです。

元の歴史書は金庫に保管したまま触らない。（元のデータブロックの維持）
修正したい箇所を含むページ全体をコピーし、新しいページ（新しいブロック）に修正内容を書き込む。
新しいページが完全に完成し、誤りがないことを確認した後、目次（メタデータ）のポインタを、古いページから新しいページに一斉に切り替える。

この方法であれば、新しいページを作成している最中に何が起こっても、目次が指しているのは常に「完成済みで整合性が取れた古い歴史書」です。新しいページが完成してから初めて切り替わるため、常に整合性の取れた状態を保証できます。この「非破壊的な更新」こそが、CoWがジャーナリングと整合性の分野で卓越した理由です。

2. データベースの安全性確保

大規模なデータベースシステム（特に仮想環境下のストレージ）では、CoWを採用したファイルシステム（ZFSなど）が頻繁に使用されます。データベースのトランザクションは、多数の小さなファイル変更やブロック変更を伴いますが、CoWのおかげで、これらの変更が部分的にコミットされることがなく、常に「全体が成功するか、全体が失敗して元に戻るか」のどちらかになります。これにより、アプリケーションレベルで複雑な整合性チェックを行う必要性が軽減され、信頼性が向上します。

3. 仮想マシンのクローニング

仮想環境において、マスターイメージから複数の仮想マシン（VM）を瞬時に作成する際にもCoWは非常に有効です。CoWベースのシステムでは、マスターイメージのデータブロックを共有し、個々のVMが実際にデータを書き換える必要が生じたときに初めて、そのブロックのコピーを作成します。これにより、クローニングにかかる時間が大幅に短縮され、ストレージ容量の節約にもつながります。これは、ストレージデバイスの効率的な利用に直接貢献する機能です。

資格試験向けチェックポイント

Copy-on-Writeは、特に応用情報技術者試験や高度試験において、ファイルシステムやストレージ管理の信頼性に関するテーマで出題される可能性が高いです。

キーワードの理解: 「非破壊的更新」「アトミックな更新」「ポインタ操作」「スナップショットの効率化」「ZFS/Btrfs」といったキーワードとCoWを結びつけて覚えておく必要があります。
ジャーナリングとの違い: 従来のジャーナリングファイルシステム（メタデータ保護が主）と、CoWを採用したファイルシステム（データ本体とメタデータの両方を強力に保護）の違いを明確に理解しておくことが重要です。「データ整合性をより高める手法は何か？」という問いに対する答えとなることが多いです。
メリットとデメリット:
- メリット: データ整合性の高さ、クラッシュリカバリの容易さ、高速なスナップショット機能。
- デメリット: 新しいブロックに書き込むため、既存のブロックを再利用する上書き方式に比べ、書き込み時のI/Oが増加する可能性がある点、および断片化（フラグメンテーション）が発生しやすい点も問われることがあります。
出題パターン: 「ファイルシステムにおけるデータ破損を防ぎ、高速なスナップショット機能を提供する技術はどれか？」や、「トランザクション処理中にシステムが停止した場合でも、データの整合性を保証するメカニズムとして最も適切なものは？」といった形で出題されます。CoWは、ファイルシステムと論理構造における「信頼性」を問う問題の定番です。