プログラムとは何か — CPU・メモリ・ストレージとの関係

この記事は、プログラムが動くときにコンピュータの中で何が起きているかを扱います。

ファイルの保存と実行は、コンピュータの中では別の出来事です。

その違いは、CPU・メモリ・ストレージという 3 つの部品が何を担当しているかで説明できます。

• プログラムは命令の並びで、実行すると上から 1 行ずつ進む
• CPU・メモリ・ストレージの分担と、電源を切ると消えるもの
• 保存しただけでは動かない理由 — 書き込まれるのはストレージまで
• 手順の「実行してください」が、実行環境に何を渡しているか

プログラムは命令の列で、実行すると上から順に進む

プログラム（program）は、コンピュータに行わせる命令を、行う順番に並べたものです。

人が読めるその本文がソースコード（source code）で、上から 1 つずつ行うことが実行（run / execute）です。

図の左に並ぶ 3 行が app.js の中身で、CPU が受け取るのは常に 1 行だけです。

値を覚えるだけの行は、画面には何も出しません。

3 行目が終わると実行そのものが終わり、途中で覚えた値も残りません。

途中の行で命令を行えなくなると、そこで実行が終わります。

次の 3 行のうち、真ん中の gokei という名前はどこにも書いていません。

console.log("合計を出します");
gokei();
console.log("終わりました");

エラーで止まったというのは、最後の行に届く前に実行が終わった状態のことです。

最初の行までは画面に出て、真ん中の行でエラーの文字が出て、最後の行は読まれないまま終わります。

プログラムは、上から順に行う命令の並び

プログラムとは、やってほしいことを順番に書き並べたものです。

実行とはその並びを上から 1 つずつ行うことで、途中の行で行えなくなると、その先の行は読まれないまま終わります。

CPU・メモリ・ストレージは何を分担しているか

前の図の「コンピュータ」は、役割の違う 3 つの部品でできています。

命令を 1 つずつ行うのがCPU（Central Processing Unit）、動かしている間だけ中身を置くのがメモリ（memory）、電源を切っても残るのがストレージ（storage）です。

ストレージにある 1 つのファイルが、メモリの中では命令の並びになり、CPU が受け取るのはそのうちの 1 つだけです。

計算の途中の値もメモリに置かれ、ストレージのファイルは実行中も書き換わりません。

3 つの部品は、1 台のパソコンの中で次のように分かれています。

移っていくのは中身だけで、ストレージにある app.js そのものは残ったままです。

メモリに入るのは、今動いているものと、その途中の値だけです。

この分かれ目は、パソコンが出す警告の読み方にも出てきます。

「メモリが足りない」はメモリの話なので、ファイルを消してもふつうは増えません。

「空き容量が足りない」はストレージの話なので、こちらはファイルを消すと増えます。

置いておく場所と、動かす場所は別

ファイルを置いておく場所がストレージ、今動かしているものを置く場所がメモリで、その命令を 1 つずつ行っているのが CPU です。

ストレージに書き込んだものは電源を切っても残り、メモリに入っていたものは消えます。

ファイルを保存しただけでは、なぜ動かないのか

保存は、ソースコードの文字をストレージに書き込むことです。

書き込まれる先は、作っている my-app という予約アプリのフォルダの中です。

ここに置かれたファイルを、CPU が自分から読みに行くことはありません。

保存しただけの状態では、命令はまだ 1 つも行われていません。

保存だけの行はストレージで止まっていて、メモリに何も入らないので、CPU は命令を 1 つも受け取りません。

画面に何も起きないのは、実行を指示していないからです。

実行し直すと、古いメモリの中身は捨てられ、新しいファイルが読み込まれます。

直した内容が動くのは、この読み込み直しが起きたときです。

手順に「実行し直してください」と書かれているのは、このためです。

保存は、反映ではない

保存は、文字をストレージに書き込むところまでです。

動いているプログラムは読み込んだ時点の中身のまま進むので、ファイルを直しても、実行し直すまで画面の結果は変わりません。

「実行してください」は、実行環境にファイルを渡すこと

ファイルをメモリに読み込み、CPU に命令を届けるのが実行環境（runtime。ソースコードを読み取り、命令を CPU に行わせるソフトウェア）です。

手順の「実行してください」は、この実行環境にファイルを渡すことです。

自分で打ち込むのは、いちばん左の 1 行だけです。

その 1 行は、手順の中にこういう形で出てきます。

# JavaScript (Node.js) のソースコードを実行する
node app.js

# Python のソースコードを実行する
python app.py

この 1 行がコマンド（command。ソフトウェアに何をするかを文字で伝える指示）です。

先頭が実行環境の名前、後ろがソースコードのファイル名で、間は空白で区切ります。

先頭を見ればどの実行環境が要るのか、後ろを見ればどのファイルが読み込まれるのかが分かります。

この 1 行を打ち込む画面は、この講座の「開発環境とは」の記事で扱います。

言語が変わっても、先頭が受け取るソフトウェア、後ろがそれに渡すもの、という読み方は同じです。

もう 1 つ、手順の文言で分かれるところがあります。

実行を指示したあとの終わり方は、2 つに分かれます。

下の枝が、手順に「起動したままにしてください」と書かれているプログラムです。

保存のたびに自動で読み込み直す実行環境もあります。

その場合でも、画面が変わるのは新しいファイルが読み込まれてからです。

実行の指示は、ファイルを渡すこと

「実行してください」は、実行環境というソフトウェアにファイルを渡してください、という意味です。

渡し方が node app.js のような 1 行で、最後の行まで進んで終わるものと、止めるまで終わらないものがあります。