同期通信とは何か？仕組み・種類・課題と設計上のベストプラクティスを徹底解説

2025年12月12日 最終更新日時 : 2025年12月12日 エバープレイ編集部

はじめに

ITシステムにおける通信モデルの理解は、設計や運用における重要な判断要素です。本稿では『同期通信（synchronous communication）』を中心に、その定義、実装パターン、関連プロトコル、性能とスケーラビリティの課題、分散システムにおける注意点や設計上のベストプラクティスまでを詳しく解説します。現場でよく直面する問題点と具体的な対処法も含めて深掘りしますので、アーキテクトや開発者、運用担当者にとって実践的な参考になるはずです。

同期通信の定義と非同期通信との違い

同期通信とは、送信側が応答（レスポンス）を受け取るまで処理を待機（ブロック）する通信モデルを指します。一般的には「リクエストを投げて応答が返るまで次の処理を進めない」形態です。対して非同期通信は、送信側が応答を待たずに次へ進む（コールバック、イベント、メッセージキューなどで後続処理を行う）モデルです。

重要な違いを整理します。

  • 同期: リクエストとレスポンスが一対一で対応し、送信側は応答待ちでブロックされる（同期的待ち）。
  • 非同期: 応答を待たずに処理を進める。結果は後続の通知やポーリング、メッセージングで受け取る。
  • 設計上の影響: 同期は理解しやすく実装がシンプルだがスケールしにくい。非同期はスケーラブルだが状態管理やエラー処理が複雑化する。

同期通信の代表的パターン・プロトコル

同期通信は多くのプロトコルやAPI設計で採用されています。代表例とその特徴を挙げます。

  • HTTP/RESTのリクエスト-レスポンス: 最も一般的。ブラウザからサーバ、サーバ間APIコールなどは基本的に同期的なリクエスト-レスポンスモデル。
  • RPC（Remote Procedure Call）: リモートの関数・メソッドを呼び出して戻り値を受け取る。gRPCやThriftなどが代表。
  • データベーストランザクション: トランザクション完了の応答を待って次処理に進むため同期的。
  • TCPベースの同期I/O: TCPは接続指向だが、同期/非同期は実装（blocking socket vs non-blocking/async）次第。
  • SOAPのようなWS-*規格: 往復の同期通信を前提とすることが多い。

通信の同期性はプロトコルの特徴ではなく設計パターン

注意すべき重要な点として、『同期／非同期』はプロトコル自体が決めるものではなく、設計のパターンや実装の選択によるものです。たとえばHTTPは基本はリクエスト-レスポンスだが、サーバが応答を遅延させることで疑似的に非同期（long polling）やサーバ送信イベント（SSE）を作れます。WebSocketは双方向だが、呼び出し側が応答を待つ同期RPC的な使い方もできます。

同期通信がもたらす利点

  • 理解しやすい制御フロー: 呼び出し→結果受領の直列的な制御で実装・デバッグが比較的容易。
  • 即時レスポンスの必要なユースケースに向く: 例えばユーザーの操作に対する即時結果返却が求められるフロントエンドAPI。
  • トランザクション的連続性の維持が容易: データベースと連携して一連の処理の成否を同期的に判断したい場合に適する。

同期通信の欠点・運用上のリスク

同期通信はシンプルである反面、以下のような課題があります。

  • スケーラビリティの制約: リクエストが応答を待つ間、接続やスレッド、リソースが占有されるため同時接続数が増えるとリソース枯渇に陥りやすい。
  • レイテンシの影響を受けやすい: ネットワークや下流サービスの遅延がそのまま全体の応答時間に直結する。
  • 障害伝播: 下流サービスがダウンすると、呼び出し元サービスも待ち状態やタイムアウトを起こし、障害が連鎖しやすい。
  • 二者間結合の強化: 同期設計はサービス間の稼働時間やパフォーマンスに相互依存性を生む。

分散システムにおける同期通信の注意点

分散環境では同期通信は特に複雑さを増します。重要な観点を列挙します。

  • タイムアウトの設計: ただ待たせるだけではシステム全体が詰まるため、適切なタイムアウト値を設定し、短めで段階的（階層ごとに異なる値）にするのが一般的です。
  • リトライと冪等性: タイムアウトやネットワーク切断時にリトライする場合、リトライが副作用（重複処理）を招かないように呼び出しを冪等に設計する必要があります。
  • 二相コミット（2PC）や分散トランザクションのリスク: 2PCは厳密な整合性を提供する一方でロック保持や待ちが発生しやすく可用性に影響する。代替としてSagaパターンなどの補償トランザクションが用いられることが多いです。
  • 可観測性（Observability）: レイテンシやエラーがどのサービスで発生しているかを分かりやすくするため、分散トレーシング（OpenTelemetry等）や詳細なメトリクス収集が必須です。

同期通信の性能改善手法

同期通信を用いる際にも設計と実装でパフォーマンスや可用性を改善できます。代表的な対策を示します。

  • タイムアウトと回復の設計: 適切な短時間タイムアウト＋異常時のフォールバック（キャッシュ、静的レスポンス等）。
  • 回路遮断器（Circuit Breaker）: 下流障害を検知して一定期間呼び出しを遮断し、システム全体への影響を抑えるパターン（Hystrix、Resilience4j等）。
  • バルクヘッド（Bulkhead）: リソースを分割して一部の障害が全体に波及しないようにする。
  • コネクションプーリングと非同期I/O: 同期APIでも接続の再利用や非同期I/Oの導入でスループットが向上する。
  • キャッシュ: 下流への同一リクエストを減らすためのキャッシュ（CDN、APIキャッシュ、結果キャッシュ）。
  • バッチ化: 頻繁な同期呼び出しを受ける場合、リクエストをまとめてバッチ処理することで回数を削減。

同期通信とHTTPの進化（HTTP/1.1 vs HTTP/2/3）

HTTP/1.1では1接続あたりのリクエスト順序性やヘッドオブライン（HOL）ブロッキングの問題がありました。HTTP/2はストリームの多重化で複数リクエストを同時に扱えるようになり、同期的なリクエスト-レスポンスでも待ちの影響が軽減されます。さらにHTTP/3はUDPベースのQUICを利用し、接続再確立による遅延低減や独立したストリームの更なる改善を狙います。

実運用でよくあるシナリオと推奨アプローチ

いくつか現場でよく遭遇するケースと推奨の取り扱いを示します。

  • ユーザー向けAPI（低レイテンシ要求）: 同期で即時応答が必要なため、タイムアウト短め、キャッシュ、回路遮断器を組み合わせる。
  • バッチ処理やデータ連携: 非同期メッセージングやバッチスケジュールに移行し、同期呼び出しを減らす。
  • 決済や在庫引当など整合性重視: 同期での整合性確保が必要だが、2PCは避けてSagaや補償処理を検討する。
  • リアルタイム双方向通信: WebSocketは双方向だが、操作に対して即応答を期待する場合は同期的API設計を適用可能。処理重なら非同期キューでハンドリング。

同期と非同期のハイブリッド設計

多くのシステムは同期と非同期を組み合わせたハイブリッド設計が最も実用的です。ユーザーインタラクションやクリティカルなチェックは同期で処理し、時間のかかるバッチ処理や後続業務は非同期で処理する、といった分離（separation of concerns）が有効です。MQを使って即時応答＋バックグラウンド処理を実現するパターンは広く使われています。

設計チェックリスト（実践的）

  • この操作は即時レスポンスが必須か？遅延許容できるか？
  • 呼び出し先は冪等にできるか？リトライは安全か？
  • タイムアウトとリトライ方針は定義されているか？
  • 回路遮断器やバルクヘッドなどの保護機構を導入しているか？
  • 観測性（分散トレース、メトリクス、ログ）は整備されているか？
  • トランザクション境界と一貫性モデル（強整合か最終整合か）を明確にしているか？

まとめ

同期通信は設計が直感的で実装がシンプルな一方、レイテンシや可用性、スケーラビリティの観点で注意が必要です。分散システムでは特にタイムアウト、リトライ、冪等性、回路遮断器、キャッシュ、バルクヘッドなど複数の対策を組み合わせることが重要になります。理想は『用途ごとに同期/非同期を使い分けるハイブリッドアーキテクチャ』で、観測性を高め障害時の影響を最小化する運用が求められます。

参考文献

カテゴリー
IT
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