CとC++がメモリ制御、速度、低レベルアクセスを通じて、どのようにOS、データベース、ゲームエンジンの中核を成し続けているかを解説します。

「裏側」は、アプリが依存しているが日常的には直接触れないすべてです:OSカーネル、デバイスドライバ、データベースのストレージエンジン、ネットワーキングスタック、ランタイム、および性能が重要なライブラリなど。
対照的に、多くのアプリ開発者が日々目にするのは表層です:フレームワーク、API、マネージドランタイム、パッケージマネージャ、クラウドサービス。これらの層は安全性と生産性を重視して設計されており、複雑さを意図的に隠すことも多いです。
一部のソフトウェアコンポーネントには、直接制御しなければ満たせない要件があります:
CとC++がここでいまも一般的である理由は、最小限のランタイムオーバーヘッドでネイティブコードにコンパイルされ、メモリやシステムコールに対する細かな制御をエンジニアに与えるからです。
大ざっぱに言えば、CとC++は次のような領域を支えています:
この記事は機構に焦点を当てます:舞台裏のコンポーネントが何をするか、なぜネイティブコードが有利か、そしてその力に伴うトレードオフは何か。
すべてのプロジェクトにC/C++が最適だと主張するつもりはありませんし、言語論争に陥るつもりもありません。目的はこれらの言語がどこで価値を発揮するか、そして現代のソフトウェアスタックがなぜそれらを基盤に置き続けるのかを実務的に理解することです。
CとC++は「金属に近い」プログラムを可能にするため、システムソフトウェアで広く使われています:小さく、高速で、OSとハードウェアに密接に統合されるコードです。
C/C++のコードがコンパイルされると、CPUが直接実行できる機械命令になります。実行時に命令を逐次翻訳する必要のあるランタイムは不要です。
これは、カーネル、データベースエンジン、ゲームエンジンなど、わずかなオーバーヘッドでも負荷下で累積するインフラ成分にとって重要です。
システムソフトウェアはしばしば一貫したタイミングを必要とします。例えば:
C/C++はCPU使用、メモリレイアウト、データ構造に対する制御を提供し、エンジニアが予測可能な性能を狙いやすくします。
ポインタはメモリアドレスを直接扱えます。その力は恐ろしく聞こえるかもしれませんが、多くの高級言語が抽象化してしまう能力を解き放ちます:
慎重に使えば、この制御は劇的な効率向上をもたらします。
同じ自由度がリスクにもなります。一般的なトレードオフは:
一般的なアプローチは、性能クリティカルなコアをC/C++で保ち、その周りをより安全な言語で囲んでプロダクト機能やUXを実装することです。
オペレーティングシステムカーネルはハードウェアに最も近い層にあります。ノートPCがスリープから復帰したり、ブラウザが開いたり、プログラムが追加のメモリを要求したりするとき、カーネルがそれらの要求を調整し次の処理を決定します。
実務的には、カーネルは次のコア作業を扱います:
これらの責務はシステムの中心に位置するため、カーネルコードは性能感度が高く同時に正確性も求められます。
カーネル開発者は次のようなことに対して正確な制御を必要とします:
Cは機械レベルの概念に自然にマップしつつ可読性とアーキテクチャ間の移植性を保つため、依然として「カーネル言語」として多用されています。最もハードウェア特有な部分はアセンブリに頼り、Cが大半を担うケースも多いです。
C++はカーネルに登場することがありますが、通常は制限されたスタイル(ランタイム機能の制限、例外ポリシーの慎重な運用、割り当てに関する厳格な規則)で使われます。使われる場合は、制御を維持しつつ抽象化を改善するためです。
カーネル自体が保守的でも、周辺の多くのコンポーネントはC/C++です:
ドライバがソフトウェアとハードウェアを橋渡しする方法の詳細は、/blog/device-drivers-and-hardware-access を参照してください。
デバイスドライバはOSと物理ハードウェア(ネットワークカード、GPU、SSDコントローラ、オーディオデバイスなど)の間を変換します。「再生」ボタンを押したり、ファイルをコピーしたり、Wi‑Fiに接続したりするとき、ドライバが最初に応答しなければならないコードであることが多いです。
ドライバはI/Oのホットパス上に位置するため非常に性能に敏感です。パケットやディスク要求ごとに数マイクロ秒の差があっても、忙しいシステムでは累積して大きな影響を生みます。CとC++がここで一般的であるのは、OSカーネルAPIを直接呼び、メモリレイアウトを正確に制御し、最小限のオーバーヘッドで動作できるためです。
ハードウェアは「順番を待つ」ような礼儀正しさはありません。デバイスは割り込みでCPUにシグナルを送ります—パケットが到着した、転送が完了した、などの緊急通知です。ドライバコードはこれらのイベントを迅速かつ正確に処理しなければならず、しばしば厳しいタイミングとスレッド制約のもとで動作します。
高スループットを達成するために、ドライバはDMA(Direct Memory Access)に依存することが多く、デバイスがCPUによる全バイトコピーを必要とせずにシステムメモリを読み書きします。DMAのセットアップは一般に次の作業を含みます:
これらはメモリマップドレジスタ、ビットフラグ、読み書きの慎重な順序付けといった低レベルのインタフェースを必要とします。C/C++はこの種の「金属に近い」ロジックを表現しつつ、コンパイラやプラットフォームを横断して移植可能に保つのに適しています。
通常のアプリとは異なり、ドライバのバグはシステム全体をクラッシュさせたりデータを破損させたり、セキュリティホールを生む可能性があります。このリスクがドライバコードの書き方とレビュー方法に影響を与えます。
チームは厳格なコーディング標準、防御的チェック、階層化されたレビューを用いて危険を減らします。一般的な対策には、危険なポインタ使用の制限、ハードウェア/ファームウェアからの入力の検証、CIでの静的解析の実行などがあります。
メモリ管理は、CとC++がOS、データベース、ゲームエンジンの一部を支配する最大の理由の一つです。同時に、微妙なバグを生みやすい場所でもあります。
実務的には、メモリ管理は次を含みます:
Cでは多くの場合明示的に(malloc/free)、C++では明示的(new/delete)またはより安全なパターンでラップされます。
性能クリティカルなコンポーネントでは、手動制御が機能になります:
これは、データベースが安定したレイテンシを維持する必要がある場合や、ゲームエンジンがフレームタイム予算を守る必要がある場合に重要です。
同じ自由度が古典的な問題を生みます:
これらのバグは、特定のワークロードがトリガーするまでプログラムが「問題なく見える」ため、検出しにくいことがあります。
モダンなC++は制御を失わずにリスクを減らします:
適切に使えば、これらのツールはC/C++を高速なままにしつつ、メモリバグが本番に届く確率を下げます。
現代のCPUはコアあたりの速度が劇的に上がるのではなく、コア数が増えています。これにより性能の問いは「コードはどれだけ並列実行できるか、そしてお互いを妨げずに動けるか」に移ります。CとC++はスレッド、同期、メモリ挙動に対する低レベルな制御をほとんどオーバーヘッド無しで与えるため、この領域で人気です。
スレッドはプログラムが作業するための単位で、CPUコアがその作業を実行する場所です。OSのスケジューラは実行可能なスレッドを利用可能なコアにマッピングし、常にトレードオフを行います。
性能クリティカルなコードでは小さなスケジューリングの違いが重要になります:スレッドを不適切なタイミングで止めるとパイプラインが詰まり、キューのバックログを作り、停止と再開の挙動を生むことがあります。CPUバウンドな作業では、アクティブなスレッド数をコア数に合わせておくとスラッシングが減ることが多いです。
実務的な目標は「ロックをしないこと」ではなく、「ロックを減らし、賢く使うこと」です—クリティカルセクションを小さくし、グローバルロックを避け、共有の可変状態を減らす。
データベースやゲームエンジンは平均速度だけでなく、最悪ケースの停止も気にします。ロックコンボイ、ページフォルト、停滞したワーカーは目に見えるスタッターやSLA違反の遅いクエリを引き起こします。
高性能システムでは多くの場合次のような構成を使います:
これらのパターンは高いスループットと圧力下での一貫したレイテンシを両立することを目指します。
データベースエンジンは単に「行を保存する」だけではありません。CPUとI/Oが何百万回も回るタイトなループであり、小さな非効率がすぐに累積します。だから多くのエンジンやコアコンポーネントがいまもCやC++で書かれているのです。
SQLを送るとエンジンは:
各段階はメモリとCPU時間に対する慎重な制御から恩恵を受けます。C/C++は高速なパーサ、プランニング中の少ない割り当て、そしてワークロードに合わせたカスタムデータ構造による軽量な実行ホットパスを可能にします。
SQL層の下で、ストレージエンジンは地味だが重要な詳細を扱います:
これらは予測可能なメモリレイアウトやI/O境界の直接制御を必要とするため、C/C++が適しています。
現代の性能はしばしば生のCPU速度よりCPUキャッシュに依存します。C/C++を使えば頻繁に使うフィールドを隣接して配置したり、カラムを連続配列で保持したり、ポインタジャンプを減らすことでデータをCPU近くに保ちスタールを減らせます。
C/C++が中心でも、管理ツール、バックアップ、モニタリング、マイグレーション、オーケストレーションなどには高水準言語がよく使われます。性能クリティカルなコアはネイティブのままにして、周辺のエコシステムは反復速度と使いやすさを優先します。
データベースが瞬時に感じられるのは、ディスクを避けるために多大な努力をしているからです。高速なSSDでもストレージから読み出すのはRAMから読むより桁違いに遅い。C/C++で書かれたデータベースエンジンはこの待ち時間の各段階を制御し、しばしば回避します。
ディスク上のデータを倉庫の箱に例えると、箱を取りに行く(ディスク読み込み)は時間がかかるので、最もよく使う品は机(RAM)に置いておきます。
多くのデータベースはバッファプールを自前で管理して、OSとメモリを奪い合うのを避けます。
ストレージは遅いだけでなく予測不可能でもあります。レイテンシのスパイク、待ち行列、ランダムアクセスが遅延を増やします。キャッシュは次の方法でこれを軽減します:
C/C++はアライメントされた読み込み、ダイレクトI/O対バッファードI/Oの選択、カスタム追い出しポリシー、インデックスやログバッファの慎重なインメモリレイアウトなど、スループットで重要な詳細を調整できます。これらの選択はコピーを減らし、競合を避け、CPUキャッシュへ有用なデータを供給し続けます。
キャッシュはI/Oを減らすがCPU作業を増やします。ページの解凍、チェックサム計算、ログの暗号化、レコードの検証などはボトルネックになり得ます。CとC++はメモリアクセスパターンとSIMDに適したループを制御できるため、各コアからより多くの仕事を引き出すために使われることが多いです。
ゲームエンジンは厳格なリアルタイム期待値の下で動作します:プレイヤーがカメラを動かしたりボタンを押したりすると世界は即座に応答しなければなりません。これはフレームタイムで測られ、平均スループットでは評価されません。
60FPSでは1フレームあたり約16.7msがあります:シミュレーション、アニメーション、物理、オーディオミキシング、カリング、レンダリング送信、しばしばアセットのストリーミングがその中で行われます。120FPSではその予算は8.3msに縮みます。予算を逸脱するとプレイヤーはスタッター、入力遅延、不均一なテンポを感じます。
これが、エンジンコアで**C(C言語)やC++**が今も一般的である理由です:予測可能な性能、低いオーバーヘッド、メモリとCPU使用量に対する細かな制御が得られるからです。
多くのエンジンは重い処理をネイティブコードで行います:
これらは毎フレーム実行されるため、小さな非効率が急速に増幅します。
ゲーム性能の多くはタイトループに依存します:エンティティを反復、トランスフォーム更新、衝突テスト、頂点のスキニング。C/C++はキャッシュ効率のためのメモリ構造(連続配列、割り当ての削減、仮想間接参照の削減)を作りやすくします。データレイアウトはアルゴリズム選択と同じくらい重要です。
多くのスタジオはプレイロジック(クエスト、UIルール、トリガー)にスクリプト言語を使います。反復速度が重要だからです。エンジンコアは典型的にネイティブのままで、スクリプトはC/C++のシステムを呼び出します。一般的なパターン:スクリプトがオーケストレーションを行い、C/C++が高負荷の処理を実行する。
CとC++は単に「動く」だけではなく、特定のCPUとOSに合わせたネイティブバイナリへと組み立てられます。ビルドパイプラインは、これらの言語がOS、データベース、ゲームエンジンで中心的であり続ける大きな理由の一つです。
典型的なビルドは次の段階を持ちます:
リンカ段階で実世界の問題が顕在化することが多い:シンボルの欠落、ライブラリバージョン不整合、ビルド設定の不整合などです。
ツールチェーンはコンパイラ、リンカ、標準ライブラリ、ビルドツールの全体を指します。システムソフトウェアではプラットフォームカバレッジが決定的な要因になることが多いです:
チームはC/C++を選ぶことが多い一因として、ツールチェーンが成熟しており組込み機器からサーバまで幅広い環境で利用可能である点を挙げます。
Cは「普遍的なアダプタ」と見なされることが多いです。多くの言語はFFIを通じてC関数を呼べるため、チームは性能クリティカルなロジックをC/C++ライブラリに置き、高水準コードから小さなAPIで公開することがよくあります。これがPython、Rust、Javaなどが既存のC/C++コンポーネントをラップする理由です。
C/C++チームは通常次の点を測定します:
ワークフローは一貫しています:ボトルネックを見つけ、データで確認し、最も重要な小さな部分を最適化する。
CとC++は依然として優れたツールです—数ミリ秒、数バイト、特定のCPU命令が実際に重要なソフトウェアを作るときに特に有効です。すべての機能やチームに対してこれらがデフォルトで最良というわけではありません。
コンポーネントが性能クリティカルで、厳密なメモリ制御を必要とし、OSやハードウェアに密接に統合しなければならないときはC/C++を選びます。
典型的な適合例:
優先度が安全性、反復速度、または大規模な保守性である場合は高水準言語を選びます。
次の場合はRust、Go、Java、C#、Python、TypeScript等が実務的に賢明です:
実際の製品は混成であることが多い:クリティカルパスはネイティブライブラリで、その他は高水準サービスやUIで賄う。
ウェブ、バックエンド、モバイル機能が主なら、C/C++を書かなくても恩恵を受けられることが多いです—OS、データベース、ランタイム、依存関係を通じて利用します。Koder.aiのようなプラットフォームはその分離に沿っており、チャット駆動のワークフローでReactウェブアプリ、Go+PostgreSQLバックエンド、またはFlutterモバイルアプリを迅速に生成しつつ、必要に応じて既存のC/C++ライブラリへのFFI境界で統合できます。これにより、プロダクトの大部分を反復の速いコードで保ちながら、ネイティブコードが適切な場面を無視しない構成が取れます。
コミット前に次の問いを投げてください: