ブロックデバイス

2025年10月30日

ブロックデバイス

英語表記: Block Device

概要

ブロックデバイスとは、OSがハードウェアの記憶装置（HDDやSSDなど）を扱う際に利用する、抽象化された入出力インターフェースのことです。データを固定長の「ブロック」という単位で読み書きする特性を持ち、この効率的なデータ転送方式がファイルシステム構築の土台を提供します。この仕組みこそが、OSの基本機能におけるI/O制御の根幹を担っており、特に「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 → 行入出力制御」という文脈において、高速かつ信頼性の高いストレージアクセスを実現する鍵となります。

詳細解説

ブロックデバイスは、OSの基本機能の中でも、特にファイルシステムと物理ストレージの間に位置する重要な抽象化レイヤーです。その存在目的は、多種多様なストレージハードウェアの違いをOSから隠蔽し、ファイルシステムに対して統一的かつ効率的なデータアクセス手段を提供することにあります。

固定長ブロックアクセスによる効率化

ブロックデバイスの最大の特徴は、データを固定長のブロック単位でアクセスすることです。一般的なブロックサイズは512バイトや4キロバイト（4KB）などが用いられます。ファイルシステムは、ユーザーから「ファイルを保存したい」という要求を受けると、それを物理ストレージ上の特定のブロック番号に割り当てて管理します。そして、読み書きが必要になった際には、OSに対して「ブロック番号XからYまでのデータをください」と要求を出すわけです。

もし、ブロック単位ではなく、1バイトずつ細かくアクセスする方式（キャラクタデバイス方式）をストレージに適用しようとすると、例えばディスクドライブの場合、ヘッドの移動やディスクの回転を伴う物理的な動作が頻繁に発生し、入出力効率が著しく低下してしまいます。ブロックデバイスは、データをまとめて大きなかたまりとして扱うことで、一度の物理アクセスで大量のデータを転送できるように設計されており、これが高速な入出力制御、すなわち「OSの基本機能 → ファイルシステム → 行入出力制御」の実現に不可欠なのです。

I/O制御における位置づけ

私たちが現在見ているこの分類「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 → 行入出力制御」において、ブロックデバイスは非常に重要な役割を果たしています。

抽象化の提供: OSはブロックデバイスを通じて、ストレージの物理的な特性（円盤の枚数や回転速度、フラッシュメモリのセル構造など）を一切気にすることなく、論理的なブロック番号だけでデータにアクセスできます。これは、OSの設計をシンプルにし、異なるハードウェアへの移植性を高める大変素晴らしいメリットをもたらします。
バッファキャッシュの利用: ブロックデバイスへのアクセスは、しばしばメモリ管理の機能と連携して行われます。具体的には、読み書きの高速化のために「バッファキャッシュ」が使われます。頻繁にアクセスされるブロックをメインメモリ上に一時的に保持することで、物理ストレージへのアクセス回数を減らし、システムの応答性を飛躍的に向上させているのです。これは、OSの基本機能であるメモリ管理とI/O制御が連携する典型的な例と言えます。
デバイスドライバの役割: ブロックデバイスの背後には、ハードウェア固有の動作を制御するデバイスドライバが存在します。OSが抽象化されたブロック番号を指定すると、デバイスドライバがそれをSATA、NVMe、SCSIなどの具体的なプロトコルコマンドに翻訳し、物理的な記憶装置に伝達します。これにより、OS本体はクリーンなインターフェースを維持できるわけです。

このように、ブロックデバイスはファイルシステムの基盤であり、OS全体の効率的なデータ管理を支える、まさになくてはならない存在なのです。

具体例・活用シーン

ブロックデバイスは、現代のコンピューティング環境において、データの永続化が必要なあらゆる場所で活用されています。

物理ストレージデバイス:
- ハードディスクドライブ（HDD）
- ソリッドステートドライブ（SSD）
- USBフラッシュドライブやSDカードなどのリムーバブルメディア
- CD-ROMやDVD-ROM（読み取り専用のブロックデバイスとして機能します）
論理ボリューム管理（LVM）: 複数の物理ブロックデバイスを統合し、一つの大きな論理ブロックデバイスとしてOSに提供する技術です。これにより、柔軟なディスク容量の管理が可能になります。

初心者向けのアナロジー：巨大な物流倉庫の管理

ブロックデバイスを理解するためには、「巨大な物流倉庫」の運営を想像するのが非常にわかりやすいでしょう。

あなたがファイルシステム（物流管理責任者）だとします。あなたは、顧客（ユーザー）から「Aというファイル」や「Bというデータ」を保管・取り出しするように依頼されます。

物理ストレージ（倉庫）は広大で、何百万ものデータ（商品）が保管されています。もし、あなたが係員（デバイスドライバ）に「Aという商品の1グラム目、次に2グラム目…」と、非常に細かく指示を出していたら、係員は何度も倉庫と事務所を行き来することになり、作業は全く進みません。

ブロックデバイスの考え方は、この非効率性を完全に排除します。倉庫の商品は、すべて規格化された大きなパレット（ブロック）に詰め込まれています。管理責任者であるあなたは、係員に「パレット番号100番を丸ごと持ってきてください」と指示を出すだけで済みます。

係員は一度の移動で、大量の商品が詰まったパレット（ブロック）を運び出すことができます。この「パレット単位の効率的な入出力」こそがブロックデバイスの本質です。OSは、このパレットシステムを採用することで、膨大なデータ管理を極めて迅速に行うことができるようになっているのです。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート、基本情報技術者、応用情報技術者などの試験では、OSの基本機能とファイルシステムに関する出題が頻繁に行われます。ブロックデバイスは、その根幹をなす概念として重要です。

アクセス単位の理解: ブロックデバイスは「固定長のブロック単位」でアクセスされることを確実に覚えましょう。これに対し、キーボードや通信ポートなどは「キャラクタ（バイト）単位」で扱われるキャラクタデバイスであることを対比させて理解することが、I/O制御の知識を問う問題で非常に有効です。
ファイルシステムとの階層構造: ファイルシステムはブロックデバイスが提供する論理的な領域の上に構築される上位の仕組みです。この階層関係を理解しているか問われることが多いです。
シーケンシャルアクセスとランダムアクセス: ブロックデバイスは、ブロック番号を指定することで、データの物理的な配置に関わらず、任意のブロックに直接アクセスできる「ランダムアクセス」が得意です。この特性が、データベースやファイルシステムでの高速なデータ検索を可能にしています。
バッファキャッシュの目的: ブロックデバイスへのアクセス効率を向上させるために、メインメモリの一部がバッファキャッシュとして利用されます。その目的（物理I/Oの回数削減と高速化）を理解しておきましょう。これはメモリ管理の知識と連携して問われる可能性があります。
OSの基本機能との連携: ブロックデバイスの制御は、プロセス管理やメモリ管理（特に仮想記憶のページング）と密接に関連しています。例えば、仮想メモリのスワップ領域へのアクセスも、ブロックデバイスを通じて行われるため、I/O性能がシステム全体の性能に直結します。