I/O（入出力）とは？データが機器との間を移動する仕組み

I/O（Input/Output／入出力）とは、コンピュータやプログラムが、自分の外側との間でデータを受け渡すことです。キーボード入力や画面表示だけでなく、ファイルの読み書き、ネットワーク通信、プリンターへの出力もI/Oです。

I/Oのポイントは「どちらから見て入力か、出力か」です。テキストエディタからSSDへデータを渡すのは出力、SSDから読み戻すのは入力です。

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I/Oは境界を越えるデータ移動

NISTではI/Oを、コンピュータとの通信に使う機器と、その通信で扱うデータを含む一般用語としています。実務では、プログラムとOS、OSと機器、コンピュータとネットワークなど、ある境界を越えるデータの受け渡しとして使われます。

memo.txtへ「A」と入力して保存する場面には、少なくともキーボード入力、画面出力、ストレージ出力があります。

ある処理の出力が、次の処理の入力になることがあります。サーバーが送信した応答はサーバーから見れば出力、受信するブラウザから見れば入力です。

CPUは命令の演算・比較・分岐などを実行します。一方、I/Oはキーボード、SSD、ネットワークなどとのデータ移動です。CPUが書き込み要求を準備しても、機器側の処理が完了するまで時間がかかる場合があります。

分類	主に時間を使う対象	例
CPUバウンド	計算や命令実行	圧縮、暗号計算、画像変換
I/Oバウンド	外部との読み書き・待ち	大量ファイル読込、DBアクセス、通信待ち

処理が遅いとき、CPU使用率が高ければCPUが忙しい可能性があります。CPU使用率が低くても、ストレージやネットワークの完了待ちで進めない場合があります。したがって「CPUが空いている＝処理が速い」とは限りません。

スレッドが読み書きを依頼し、結果が必要になるまで先へ進めない状態をI/O待ちと呼びます。OSは待っているスレッドからCPUを外し、実行可能な別スレッドへCPU時間を回せます。I/Oが完了すると、待っていたスレッドを再び実行可能にします。

プロセスとスレッドの関係はプロセスとスレッドの違いで確認できます。

方式	要求した処理の進み方	考え方
同期I/O	必要な結果が返るまで呼び出し側が待つ	単純だが待ち時間がその処理を止める
非同期I/O	完了を待たず別処理へ進み、後で通知や結果を受け取る	待ち時間をほかの仕事に使える

非同期にすれば必ず速くなるわけではありません。I/O装置の実速度は変わらず、完了通知・順序・エラー処理が複雑になります。目的は「待っている間に何を進められるか」です。