【ITニュース解説】Strong Eventual Consistency – The Big Idea Behind CRDTs

現代のアプリケーション、特にGoogle Docsのような共同編集ツールやソーシャルメディアの「いいね」機能では、複数のユーザーが同時にデータを操作する状況が頻繁に発生する。このような複数のコンピュータやサーバーが連携して動作するシステムを「分散システム」と呼ぶ。分散システムを構築する上で最も難しい課題の一つが、全てのコンピュータでデータの食い違いが発生しないように保つ「一貫性」の確保である。

伝統的なデータベースシステムでは、「強い一貫性」と呼ばれるモデルが採用されることが多い。これは、あるユーザーが行った更新が即座にシステム全体に反映され、他の全てのユーザーが常に最新の同じデータを見ることを保証する仕組みである。銀行の残高照会のように、1円の狂いも許されない厳密な処理には不可欠だが、大きな欠点も存在する。全てのコンピュータ間でデータの同期が完了するまで次の処理に進めないため、ユーザーの操作に対する応答が遅くなりがちだ。特に、インターネットのように通信の遅延や切断が起こりうる環境では、システムの性能が著しく低下する原因となる。

この問題を解決するために登場したのが「結果整合性」という考え方である。これは、データの更新が即座に全体へ反映されなくても、最終的に、つまり「結果的に」全てのコンピュータのデータが同じ状態に収束すれば良い、という少し緩やかな一貫性モデルだ。このアプローチにより、ユーザーは待ち時間なく快適に操作を続けることができる。しかし、結果整合性には新たな問題が伴う。それは、複数のユーザーがほぼ同時に同じデータを更新した場合に発生する「競合」である。例えば、二人のユーザーが別々の場所で同じ文章の一文を同時に編集した場合、システムはどちらの変更を正とするべきか判断できず、データが矛盾した状態に陥る可能性がある。

この競合の問題を根本的に解決するために考案された画期的な技術が「CRDT（Conflict-free Replicated Data Type）」、日本語では「無競合複製データ型」と呼ばれるものである。CRDTの最大の特徴は、その名の通り、データの更新時に競合が一切発生しないように数学的に設計されている点にある。CRDTでは、各ユーザーのコンピュータはまず自分の手元でデータを更新し、その「更新操作」の内容だけを他のコンピュータに送信する。受け取った側は、その操作を自分のデータに適用する。ここでの鍵は、CRDTの操作が「可換性」などの数学的な性質を持つことだ。可換性とは、計算の順序を入れ替えても結果が変わらない性質のことで、例えば「2 + 3」と「3 + 2」の答えが同じになるのと同じ原理である。CRDTでは、複数の更新操作がどのような順序でコンピュータに到着したとしても、最終的に全てのコンピュータが全く同じ状態に収束することが保証されている。

CRDTが実現するこの一貫性のレベルは、単なる結果整合性よりも強力であるため、「強い結果整合性（Strong Eventual Consistency）」と呼ばれる。これは、全てのコンピュータが最終的に同じ状態に収束するだけでなく、その収束した状態が矛盾のない一貫したものであることを保証するモデルだ。つまり、競合によるデータの不整合を心配することなく、結果整合性の持つ高い応答性のメリットを享受できるのである。

CRDTは、共同編集ツールや分散データベース、オンラインゲームのプレイヤー情報管理など、リアルタイム性と信頼性が同時に求められる多くの分野で活用されている。ユーザーがオフラインで文書を編集し、その後オンラインになった際に他のメンバーの変更とスムーズに統合できるのも、CRDTのような技術が背後で機能しているからだ。分散システムにおけるデータ一貫性の難問に対して、競合そのものをなくすというエレガントな解決策を提供するCRDTと、それが保証する強い結果整合性は、これからのアプリケーション開発においてますます重要な役割を担っていく技術である。