同期 (計算機科学)

同期（Synchronization）とは

同期とは、コンピュータ科学における重要な概念であり、複数のエージェント（プロセス、スレッドなど）の動作タイミングを合わせる制御や、複数箇所に存在する同一であるべき情報を一貫性を保つための処理を指します。この概念はコンピュータの内部処理だけでなく、ネットワーク、分散システムなど、幅広い分野で利用されています。

並行計算における同期

マルチタスク環境やマルチスレッド環境では、複数のプロセスやスレッドが並行して実行されます。このとき、共有リソースへのアクセスや処理の順序を適切に管理しないと、データ破損や処理の矛盾が生じる可能性があります。そこで、同期の仕組みを用いて、並行処理のタイミングを制御する必要があります。

特に重要なのが、クリティカルセクションの排他的処理です。クリティカルセクションとは、複数のプロセスやスレッドが同時にアクセスすると問題が発生する可能性のあるコード領域のことです。この領域へのアクセスを一度に一つのプロセスまたはスレッドに制限することで、データの整合性を保ちます。

クリティカルセクションの排他制御を実現する主な手段は以下の通りです。

セマフォ: 複数のプロセスやスレッドが共有リソースにアクセスする際の許可証として機能します。資源の数をカウントすることで、アクセスできる数を制限します。
ミューテックス（ロック）: あるスレッドが共有リソースを使用している間、他のスレッドからのアクセスをブロックします。排他制御をより単純化した仕組みです。
イベント、モニター: イベントは、ある特定の状態が発生したことを知らせるための信号として機能し、モニターは、共有リソースを保護するためのオブジェクトとして機能します。イベントは、非同期処理の結果を待つ際に有用で、モニターは、ミューテックスよりも複雑な排他制御を実装できます。
非ブロック同期（Lock-freeとWait-freeアルゴリズム）: これらのアルゴリズムは、ロックを使用せずに並行処理の同期を実現します。あるスレッドが他のスレッドの実行をブロックすることなく、並行処理を行うことができるため、より高いパフォーマンスを得ることが可能です。

さらに、クリティカルセクションとは関係なく、複数のプロセスやスレッドが処理の進行を待つために同期が行われることもあります。これには、プロセス間通信、遠隔手続き呼出し (RPC)、シグナルなどがあります。また、スレッド間の待ち合わせには「バリア」という機構が利用されます。バリアは、すべてのスレッドが特定の地点に到達するまで待機させ、処理の歩調を合わせるために使用されます。

ハードウェアにおける同期

コンピュータのハードウェアも、同期の概念が不可欠です。多くのコンピュータハードウェアは、クロック同期設計によって動作します。これは、システム全体が共通のクロック信号に合わせて動作することを意味し、各コンポーネントが正確なタイミングで動作するために不可欠です。

また、フォールトトレラントシステム（耐障害性システム）では、複数のCPUが同じ処理を同時に実行することで冗長性を確保し、システムの信頼性を向上させています。この場合、複数のCPUが完全に同期して動作する必要があります。

マルチプロセッサシステムでは、各CPUが持つキャッシュメモリの内容が一致している必要があります。この一貫性を維持するために、MESIプロトコルなどのキャッシュコヒーレンシプロトコルが使用されています。

コンピュータネットワークにおける同期

コンピュータネットワークにおける同期は、通信プロトコルにおいて重要な役割を果たします。例えば、High-Level Data Link Control (HDLC) のように、フレーム同期型のプロトコルでは、送信側と受信側が同じタイミングでフレームの開始と終了を認識する必要があります。

さらに、ネットワーク上のコンピュータ間で時刻を同期させるために、Network Time Protocol (NTP) やSimple Network Time Protocol (SNTP) が使用されています。これらのプロトコルを使用することで、ネットワーク全体で時刻のずれを最小限に抑えることができます。

その他にも、複数のネットワーク機器間でコンテンツを同期させるために、iTunesやPersonal Information Manager (PIM)、ファイル同期などが利用されています。これにより、複数のデバイスでデータの一貫性を保つことができ、ユーザーエクスペリエンスを向上させることができます。

まとめ

同期は、コンピュータシステムにおいて、並行処理、データの一貫性維持、ネットワーク通信など、幅広い分野で重要な役割を果たす概念です。様々な同期の技術を理解し、適切に活用することで、より信頼性が高く効率的なシステムを構築することができます。

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