ブロックデバイス

単なるファイルの読み書き以外に、ランダムアクセスができる

ストレージの所定の位置の所定のデータにアクセスできる

例えば

HDD

SSD

Claude Code.icon

基本的な特徴

ブロック単位のI/O: 1バイトだけ読みたくても、最低1ブロック分をカーネルが読む

ページキャッシュ経由: 読み書きはカーネルのメモリキャッシュを通る

I/Oスケジューリング: カーネルがリクエストを並べ替え・結合して効率化する

代表的なブロックデバイス

SATA/SCSIディスク全体

パーティション

/dev/nvme0n1

NVMe SSD

/dev/nvme0n1p1

NVMe SSDのパーティション

/dev/vda

仮想マシンのvirtioディスク

/dev/loop0

ループバックデバイス（ファイルをブロックデバイスとして扱う）

/dev/md0

ソフトウェアRAID

/dev/dm-0

Device Mapper（LVM, 暗号化等）

カーネル内部のデータパス

code:_

ユーザー空間: read(fd, buf, 4096)

↓ システムコール

VFS (Virtual File System)

↓

ファイルシステム (ext4, XFS等): 論理アドレス → ブロック番号に変換

↓

ページキャッシュ: キャッシュにあればここで返す (キャッシュヒット)

↓ キャッシュミス

ブロックレイヤー (Block Layer): bioリクエスト生成

↓

I/Oスケジューラ: リクエストの並べ替え・マージ

↓

デバイスドライバ: ハードウェア固有の処理

↓

ハードウェア (ディスク/SSD)

キャラクタデバイスとの決定的な違いは、ページキャッシュとI/Oスケジューラを経由する点。

カーネルは読み込んだブロックをメモリに保持する:

読み込み: 同じブロックの再読み込みを回避（キャッシュヒット）

書き込み: すぐにディスクに書かず、メモリ上で「dirty」としてマークし、後でまとめて書き出す（ライトバック）

code:bash

# キャッシュの状態を確認

free -h # buffersとcacheの欄

cat /proc/meminfo | grep -i dirty # 書き出し待ちのデータ量

I/Oスケジューラ

複数のI/Oリクエストを効率よくディスクに発行するための仕組み:

table:_

スケジューラ 特徴

none そのまま発行。NVMe SSDなど内部キューを持つデバイス向き

mq-deadline レイテンシ保証。リクエストごとにデッドラインを設定

bfq (Budget Fair Queueing) 対話的な体感を重視。デスクトップ向き

kyber 軽量で高速SSD向き

code:bash

# 現在のスケジューラを確認

cat /sys/block/sda/queue/scheduler

ブロックサイズの階層

ブロックサイズは文脈によって異なる:

table:_

レイヤー 典型的なサイズ 意味

物理セクタサイズ 512B or 4096B (4Kn) ハードウェアが扱う最小単位

論理セクタサイズ 512B カーネルがデバイスに発行する最小単位

ファイルシステムブロック 4096B ext4等がアロケートする単位

ページサイズ 4096B カーネルのメモリ管理単位

通常のファイルをブロックデバイスとして扱える仕組み:

code:bash

# ISOイメージをマウント

losetup /dev/loop0 disk.iso

mount /dev/loop0 /mnt

# または一発で

mount -o loop disk.iso /mnt

ディスクイメージのテストやコンテナ技術の内部で多用される。

LinuxのDevice Mapperは、ブロックデバイスを変換・合成するフレームワーク:

code:_

LVM: 複数ディスクを論理ボリュームとして統合

dm-crypt (LUKS): ブロックレベル暗号化

dm-thin: シンプロビジョニング

dm-cache: SSDをHDDのキャッシュとして使う

これらは全て「ブロックデバイスを受け取り、変換して、別のブロックデバイスとして公開する」という共通パターン。

まとめ

ブロックデバイスの本質は「カーネルのページキャッシュとI/Oスケジューラを経由してブロック単位でアクセスする」という点。この中間層があることで、キャッシュによる高速化、I/Oの最適化、ファイルシステムの構築、Device Mapperによる合成といった豊かなエコシステムが成立している。