読み書き

2025年10月30日

読み書き

英語表記: Read/Write

概要

「読み書き」（Read/Write）は、OSのファイル操作機能において最も根幹をなす、データ入出力（I/O）の基本動作です。具体的には、ストレージなどの永続的な記憶媒体に保存されているデータを取り出して利用する「読み出し（Read）」と、新しいデータを記録したり既存のデータを更新したりする「書き込み（Write）」の二つの操作を指します。この機能は、アプリケーションがデータを永続的に利用するために不可欠であり、OSのファイルシステムが提供するサービスの中心的な役割を果たしています。この「読み書き」の概念を理解することは、ファイルシステムがどのように機能しているかを把握するための第一歩だと私は考えています。

詳細解説

階層構造における「読み書き」の位置づけ

この「読み書き」という操作は、私たちが現在学んでいる階層構造、すなわち「OSの基本機能（プロセス管理, メモリ管理） → ファイルシステム → ファイル操作」の最終的な目的、実行層に位置しています。

まず、アプリケーション（プロセス）がデータを利用したいという要求を出すと、OSカーネル（OSの基本機能）がその要求を受け取ります。ファイルシステム（Middle category）は、その要求に基づき、物理的なストレージ上のどこにデータが格納されているかを管理する役割を担います。そして、「読み書き」（Minor category: ファイル操作）は、ファイルシステムが特定した位置に対して、実際にデータを転送する具体的なアクションそのものを指します。

動作原理とOSの関与

ファイル操作としての「読み書き」は、単にデータを移動するだけでなく、OSの高度な制御下で実行されています。

要求の発生と仲介: アプリケーションがファイル操作（例：文書を開く、設定を保存する）を要求すると、OSカーネルに対してシステムコールを通じて「読み書き」の指令が出されます。カーネルは、要求元プロセスがそのファイルに対する適切なアクセス権（パーミッション）を持っているかを確認します。このアクセス権の確認は、セキュリティを維持するために非常に重要です。
ファイルシステムによるアドレス変換: 要求が正当であると確認されると、ファイルシステムが介入します。ファイルシステムは、ユーザーやアプリケーションにとって分かりやすい論理的なファイル名やディレクトリ構造を、物理的な記憶装置（HDDやSSD）のセクタやブロックのアドレスに変換します。この変換がなければ、私たちは膨大な物理アドレスを直接扱う必要があり、非常に困難になるでしょう。ファイルシステムのおかげで、私たちはファイル名だけでデータにアクセスできるのです。
メモリ管理との連携（バッファリング）: 実際にデータを読み書きする際、OSは「メモリ管理」（Major category）の機能を利用して、I/O処理の効率化を図ります。これはバッファリングやキャッシングと呼ばれます。
- 読み出しの場合、OSは頻繁にアクセスされるデータをメインメモリ（RAM）に一時的に保持します（キャッシュ）。これにより、次に同じデータが必要になったとき、低速なストレージにアクセスする手間を省き、高速にデータを提供できます。
- 書き込みの場合、データはまずメモリ上のバッファに書き込まれ、その後、OSのタイミングでまとめてストレージに書き込まれます（遅延書き込み）。これにより、アプリケーションは書き込み完了を待つことなく次の処理に進むことができ、システムの応答性が向上します。しかし、電源が突然切れると、バッファ内の未書き込みデータが失われるリスクも伴います。このトレードオフをOSが適切に管理しているのですね。

データの永続性と安定性

「読み書き」操作の最大の目的は、データを永続的に保つことです。プロセスが実行中に使用するデータはメモリ（RAM）に置かれますが、これは電源を切ると消えてしまいます。書き込み（Write）操作によって、データは不揮発性のストレージに保存され、システムが再起動しても利用可能になります。これは、私たちが日常的にデジタルデータを信頼して利用できる基盤であり、非常に感動的な技術だと思います。

具体例・活用シーン

「読み書き」は、ITシステムにおけるあらゆるデータ操作の根幹をなしていますが、特に初心者の方には、具体的な操作イメージを持つための例やアナロジーが役立ちます。

文書編集ソフトウェア:
- 読み出し: WordやExcelで既存のファイルを開くとき、OSはストレージからファイルの内容を読み出し、それをアプリケーションのメモリ空間に展開します。
- 書き込み: 編集を終えて「上書き保存」するとき、アプリケーションが変更後のデータをOSに渡し、OSがファイルシステムを通じてストレージの指定された位置に書き込みます。
ウェブブラウザの動作:
- ウェブページを表示するとき、ブラウザは一時的に画像やスクリプトをローカルのキャッシュフォルダに保存します。これは一種の書き込み操作です。次回同じページにアクセスするとき、ブラウザはキャッシュを読み出して、通信を減らし表示速度を向上させます。

アナロジー：図書館の利用と司書（OS）の役割

「読み書き」の操作は、巨大な図書館（ファイルシステム）で本（データ）を扱う行為に例えることができます。

図書館には膨大な本が整理されていますが、利用者が直接書庫に入って本を探すことはできません。利用者は司書（OSカーネル）にリクエストを出します。

読み出し（Read）: 利用者が「〇〇というタイトルの本が読みたい」と司書にリクエストします。司書は、本のリスト（メタデータ）を見て、その本が書庫のどこ（物理アドレス）にあるかを確認し、本を取り出して利用者に渡します（メモリへの転送）。利用者が本を読んでも、書庫にある原本は変わりません。
書き込み（Write）: 利用者が「新しい本を寄贈したい」または「既存の本の内容を更新したい」とリクエストします。司書は、その新しい情報（データ）を適切な手続きを経て書庫の指定された場所に追加したり、既存の本を新しい内容に置き換えたりします。この操作によって、図書館の記録（ストレージの状態）が恒久的に変化します。

ここで重要なのは、司書（OS）が本の貸し出し履歴や、誰がどの本を扱えるか（アクセス権）を厳格に管理している点です。この管理機能こそが、OSの基本機能たるファイル操作の安全性と信頼性を担保しているのです。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート試験、基本情報技術者試験、応用情報技術者試験などの資格試験では、「読み書き」の概念はファイル操作やI/O処理の基礎として頻出します。特に、OSの基本機能（メモリ管理）との連携や、セキュリティの側面が問われる傾向があります。

パーミッション（アクセス権）との関係: ファイルに対する読み出し権限（R）、書き込み権限（W）、実行権限（X）がどのように設定され、OSがどのようにその権限を確認してから「読み書き」を許可するかが問われます。特にセキュリティ分野と絡めて出題されることが多いです。
ファイルI/Oの基本手順: アプリケーションがファイルを操作する際、まず「ファイルを開く（Open）」操作を行い、OSからファイル記述子（ファイルハンドル）を取得します。その後、この記述子を使って「読み書き」操作を行い、最後に「ファイルを閉じる（Close）」という一連の流れを理解しておく必要があります。
バッファリングとキャッシュの役割: 「書き込み」操作において、データがすぐに物理ストレージに書き込まれない理由や、メモリ管理機能（キャッシュ）がI/O性能向上にどのように寄与しているかを理解しているかを確認する問題は頻出です。特に、遅延書き込み（ライトバックキャッシュ）のメリット（高速化）とデメリット（データ損失リスク）は、しっかりと区別できるようにしましょう。
排他制御（ロック）: 複数のプロセスが同時に一つのファイルに対して書き込み（Write）操作を行おうとした場合、データの一貫性を保つためにOSがどのように排他制御（ロック）を行うか、その基本的なメカニズムについて問われることがあります。

これらのポイントは、OSの基本機能（プロセス管理）とファイル操作が密接に連携していることを示すものであり、受験者として押さえておくべき核心的な知識だと考えます。