コピーオンライト（CoW）

コピーオンライトとは

コピーオンライト（Copy-on-Write、CoW） は、「コピーして」と頼まれても すぐには複製せず、実体を共有したままにしておく 戦略です。そして、どちらかが書き込もうとした瞬間 に初めて、その部分を本物にコピーします。

発想の出発点は、「多くのコピーは 作られるだけで、結局書き換えられない」という観察です。読むだけなら全員が同じ実体を見ても問題ありません。だったら 書き込みが実際に起きるまでコピーを遅らせれば、無駄な複製を丸ごと省けます。

仕組み：共有と書き込み時の分岐

メモリにおける CoW は、仮想記憶のページ単位 で動きます（前提は 仮想記憶（ページング））。

1. コピー時、新旧どちらも 同じ物理ページ を指すようにする
2. そのページを 読み取り専用 に設定する
3. どちらかが書き込もうとすると、ハードウェアが ページフォルト を起こす
4. OS が割り込み、そのページだけを複製 して書き込み側に専用ページを与える
5. 以後、両者は別々の実体を持つ

複製直後（共有・読み取り専用）:
  プロセスA ─┐
             ├─▶ [物理ページ X]（read-only）
  プロセスB ─┘

Bが書き込んだ瞬間:
  プロセスA ───▶ [物理ページ X]
  プロセスB ───▶ [物理ページ X' のコピー]（書き換え可）

ポイントは、書き込まれたページだけ が複製されること。触られなかったページは最後まで共有されたままで、メモリを節約できます。

代表的な使われ方

CoW は OS のあちこちで使われています。

用途	何を共有するか	効果
fork（プロセス生成）	親子のメモリ空間	巨大プロセスでも一瞬で複製
FS スナップショット	ディスク上のブロック	瞬時に断面を保存できる
VM／コンテナイメージ	ベースイメージ	多数のインスタンスで土台を共有

とりわけ有名なのが fork です。fork はプロセスを丸ごと複製しますが、メモリ全体を即コピーすると非常に重い。そこで CoW により親子はページを共有し、どちらかが書き換えた部分だけを後から分けます。

pid_t pid = fork();   /* この時点ではメモリは共有（CoW）*/
if (pid == 0) {
    /* 子が変数に書き込むと、そのページだけ複製される */
}

ファイルシステム（ZFS、Btrfs など）の スナップショット も同じ発想です。断面を取る瞬間はブロックを共有し、その後変更されたブロックだけを新しく書くので、スナップショット作成が一瞬で済みます。

メリットと注意点

利点は明確です。

• 複製が速い：実体をコピーしないので、サイズに関係なく一瞬
• メモリ／容量を節約：書き換えられない部分は共有のまま

一方で、コストが消えるわけではなく 後ろにずれる だけです。

まとめ

• CoW は、複製要求時は 実体を共有 し、書き込み時に初めてコピー する遅延戦略。
• メモリでは ページ単位 で動き、書き込みを ページフォルト で検知して該当ページだけ複製する。
• fork・スナップショット・VM イメージ など、複製を高速・省メモリにしたい場面で活躍する。
• コストは消えず 書き込み時へ先送り される点に注意。

前提知識は 仮想記憶（ページング）、プロセス生成は プロセスとスレッド も参照してください。