コンピュータの基本的な仕組み

##コンピュータの基本的な仕組み

前の節で、プログラムとは「コンピュータへの命令の集まり」だと学びました。

では、その命令を受け取って実行するコンピュータは、どのような仕組みで動いているのでしょうか。

プログラミングを学ぶうえで、コンピュータの内部構造に詳しくなる必要はありません。しかし、おおまかな仕組みを知っておくと、これから学ぶ多くのことが理解しやすくなります。

たとえば、

• なぜプログラムは「実行する」と動き、閉じると消えるのか
• なぜデータを「保存」しないと次に開いたとき消えてしまうのか
• なぜ大きなデータを扱うと動作が遅くなることがあるのか

といった疑問は、コンピュータの仕組みを知ることで、すっきりと理解できます。

この節では、コンピュータを動かしている主要な部品を、料理の現場にたとえながら見ていきます。

##コンピュータは「3つの役割」で動いている

コンピュータには非常に多くの部品が使われていますが、プログラムを動かすという観点では、次の3つが特に重要です。

前の節で、プログラムを料理のレシピにたとえました。その例えを続けると、コンピュータは次のような料理の現場に見立てられます。

この3つの関係を図にすると、次のようになります。

それぞれを順番に見ていきましょう。

##CPU ― 計算と判断を行う頭脳

CPU（Central Processing Unit、中央処理装置）は、コンピュータの中心となる部品です。日本語では「中央処理装置」と呼びますが、ふだんは CPU（シーピーユー）と呼ぶことがほとんどです。

CPU の仕事は、プログラムに書かれた命令を、1つずつ取り出して実行することです。

• 数値を足したり引いたりする
• 2つの値が等しいかどうかを比べる
• 条件によって次に行う処理を変える
• データをある場所から別の場所へ移す

こうした細かい作業を、CPU はものすごい速さで繰り返します。

CPU が1秒間にどれだけの作業をこなせるかは、クロック周波数という値でおおまかに表されます。単位は Hz（ヘルツ）で、たとえば「3 GHz（ギガヘルツ）」の CPU は、1秒間におよそ30億回ものペースで動作します。

料理人にたとえると、CPU はレシピを読みながら実際に手を動かす料理人です。ただし、この料理人は1つずつしか作業できない代わりに、人間とは比べものにならないほど高速に手を動かします。

補足: コアとは

最近の CPU には「4コア」「8コア」といった表記があります。コア（Core）とは、CPU の中にある「実際に作業をする部分」のことです。コアが複数あると、料理人が複数人いるように、いくつもの作業を同時に進められます。並行処理については後の章であらためて学びます。

##メモリ ― 作業中のデータを広げる場所

メモリ（Memory）は、CPU が作業をするときに、データや命令を一時的に置いておく場所です。「主記憶装置」や RAM（Random Access Memory、ラム）とも呼ばれます。

CPU は、ストレージ（保管庫）から直接作業するのではなく、いったんメモリにデータを広げてから作業します。なぜなら、メモリはストレージよりもずっと高速に読み書きできるからです。

料理にたとえると、メモリは調理台です。

料理をするとき、冷蔵庫の前で作業はしませんよね。必要な材料や道具を冷蔵庫から取り出し、調理台に広げてから調理を始めます。調理台が広ければ広いほど、たくさんの材料を同時に扱えて、効率よく料理ができます。

メモリには、次のような特徴があります。

• 高速 ： CPU がすばやく読み書きできる
• 容量は比較的小さい ： ストレージに比べると、置けるデータの量は少ない
• 電源を切ると消える ： 一時的な作業場所なので、電源を切ると中身は失われる

この「電源を切ると消える」という性質を、揮発性（きはつせい、Volatile）と呼びます。

調理台は、料理が終わって片付ければ何も残りません。メモリも同じで、作業が終わったり電源を切ったりすると、内容は消えてしまいます。

だからこそ、作った文章や画像などを残しておきたいときは、次に説明するストレージに保存する必要があるのです。

##ストレージ ― データを長期間しまっておく保管庫

ストレージ（Storage）は、データを長期間しまっておくための場所です。「補助記憶装置」とも呼ばれます。

代表的なストレージには、次のようなものがあります。

• SSD（Solid State Drive） ： 半導体を使った高速なストレージ。現在の主流
• HDD（Hard Disk Drive） ： 円盤を回転させて記録する、昔から使われているストレージ

料理にたとえると、ストレージは冷蔵庫や倉庫です。

材料は、ふだん冷蔵庫や倉庫にしまっておきます。料理をするときだけ調理台（メモリ）に出してきて、終わったらまたしまいます。

ストレージには、次のような特徴があります。

• 大容量 ： 写真、動画、書類など、たくさんのデータを保存できる
• メモリより低速 ： 読み書きの速さはメモリにおよばない
• 電源を切っても消えない ： 保存したデータは、電源を切っても残り続ける

この「電源を切っても消えない」という性質を、不揮発性（ふきはつせい、Non-volatile）と呼びます。

倉庫にしまった荷物は、扉を閉めても、次に開けたときにそのまま残っています。ストレージも同じように、電源を切ったあとも、保存したデータをずっと保ち続けます。

##メモリとストレージの違い

メモリとストレージは、どちらも「データを置く場所」です。そのため、初めて学ぶときには混同しやすいところです。

両者の違いを、表で整理してみましょう。

ここで、よくある体験を思い出してみましょう。

文章を書いているとき、保存をしないままアプリを閉じてしまい、書いた内容が消えてしまった、という経験はないでしょうか。

これは、書いている途中の文章がメモリ（調理台）の上にしかなかったために起こります。保存という操作をして、はじめて文章はストレージ（冷蔵庫・倉庫）にしまわれ、次に開いたときも残っているのです。

「こまめに保存しましょう」と言われるのは、この仕組みがあるからです。

##プログラムが動くときの流れ

ここまでの内容をふまえて、プログラムが実行されるときの流れを見てみましょう。

たとえば、あなたがあるアプリを起動したとします。このとき、コンピュータの中では、おおまかに次のことが起こっています。

料理にたとえると、

という流れになります。

このように、CPU・メモリ・ストレージは、それぞれ役割を分担しながら協力して動いています。

##コンピュータは 0 と 1 だけで動いている

ここまで、CPU・メモリ・ストレージという部品を見てきました。

では、これらの部品が扱っている「データ」とは、実際にはどのようなものなのでしょうか。

実は、コンピュータの内部では、すべての情報が 0 と 1 の組み合わせだけで表現されています。

文字も、数値も、画像も、音声も、プログラムそのものでさえ、最終的にはすべて 0 と 1 の並びになっています。

この 0 と 1 のひとつひとつを ビット（bit）と呼びます。そして、ビットを8個まとめたものを バイト（byte）と呼びます。

なぜ 0 と 1 なのかというと、コンピュータが電気で動いているからです。「電気が流れている／流れていない」「電圧が高い／低い」という2つの状態を、0 と 1 に対応させているのです。

2つの状態しか使わないので一見不便に思えますが、0 と 1 を組み合わせれば、どんな情報でも表現できます。たとえば 1 バイト（8 ビット）あれば、2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 = 256 通りのパターンを表せます。

ファイルの大きさを表す「KB（キロバイト）」「MB（メガバイト）」「GB（ギガバイト）」といった単位も、このバイトをもとにしています。

補足: いまは深く覚えなくて大丈夫

0 と 1 やビット・バイトの話は、最初はピンとこないかもしれません。いまは「コンピュータの中では、すべてが 0 と 1 で表されている」とだけ知っておけば十分です。数値や文字が実際にどう表現されるかは、後の「変数とデータ型」の章でくわしく学びます。

##Java を学ぶうえでの安心材料

ここまで読んで、「コンピュータの仕組みは複雑そうだ」と感じたかもしれません。

しかし、安心してください。

Java でプログラムを書くとき、私たちは CPU の細かい動きや、メモリ上のデータの並びを、ひとつひとつ意識する必要はありません。

たとえば、

• メモリのどこにデータを置くか
• 使い終わったメモリをどう片付けるか
• CPU がどの命令をどの順で実行するか

といったことの多くは、Java が自動的に面倒を見てくれます。

私たちは「何をしたいか」を Java の言葉で書くことに集中できます。そして、それを CPU が理解できる形に変換し、適切に実行する役割は、後の節で学ぶ JVM（Java 仮想マシン）が担ってくれます。

このように、難しい部分をうまく隠してくれることは、Java という言語の大きな魅力のひとつです。

##まとめ

この節では、コンピュータの基本的な仕組みを学びました。

• コンピュータは、CPU・メモリ・ストレージという部品が協力して動いている
• CPU は、命令を1つずつ高速に実行する「頭脳」である（料理人にあたる）
• メモリ は、作業中のデータを置く高速な場所だが、電源を切ると消える（調理台にあたる）
• ストレージ は、データを長期間しまっておく大容量の場所で、電源を切っても残る（冷蔵庫・倉庫にあたる）
• メモリは揮発性、ストレージは不揮発性という違いがある
• だからこそ、残したいデータは「保存」してストレージに書き込む必要がある
• プログラムは「ストレージから読み込み → CPU が実行 → 結果を出力」という流れで動く
• コンピュータの内部では、すべての情報が 0 と 1（ビット）で表されている
• Java では、こうした細かい仕組みの多くを言語が自動的に面倒を見てくれる

コンピュータの仕組みがわかると、これから学ぶ内容の「なぜ」が理解しやすくなります。

次の節では、本書で学ぶ Java という言語が、いつ、どのように生まれ、どのように発展してきたのかを見ていきます。