図? オペレーティング・システムの構成要素
システム・プログラム
電子・情報工学系
新城 靖
<yas@is.tsukuba.ac.jp>
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このような基本的な考え方は、時間が経過しても変わらない。 この講義で得られた知識は、１０年後も十分通用する。
オペレーティング・システムの「内部の動き」は、２学期の「オペレーティン グ・システム」という講義で扱う。内部の動きの前に、外から眺めてみて、オ ペレーティング・システムの考え方を理解することを目的とする。 ３学期には、さらに「オペレーティング・システム II 」、「分散システム」 で最近の話題に繋がる。
この講義では、Unix の API (Application Program Interface) を利用し てプログラムを作成する。API は、次の３つに分類される。
この講義で扱う Unix の API は、他のものと比較すると簡単になっている。 複雑なものには、Ｘウインドウ・システム、MS-Windows (Win32 API) などが ある。
「雰囲気」から「仕組みの理解」へ。
カーネル （ kernel ） とは、直接ハードウェアを制御する、オペレーティング・システムの中心部 である。たとえば、ハードディスクやキーボードとの入出力を行ったり、ネットワー クを制御したりする。
UNIXのカーネルは、ファイル、プロセス、プロセス間通信といったシステムの 基本的な機能を提供する。具体的には、ファイルのアクセス権の確認、プロ セスの保護、ＣＰＵ資源のスケジューリング、パイプ、ソケット、 ＴＣＰ／ＩＰによるプロセス間通信機能等がある。
シェル ( shell ) とは、カーネルを取り囲んでいる殻という意味である。シェルは、利用者と対話 を行い、利用者からの入力を解析し、それにしたがってプログラム（コマンド） を実行します。シェルのことを、 コマンド・インタプリタ (command interpreter ) と呼ぶこともある。
実験では、シェルを作ることで、システムの仕組みを学ぶ。
標準入力、標準出力、標準エラー、パイプによる結合、入出力の切り換えは、 シェルの仕事である。
コマンド （ command ） とは、利用者がシェルに与える指令である。UNIXのシェルは、指令を受け取っ ても、具体的な仕事をほとんど何もしない。cd, exit, set, umask のような、 自分自身の状態を変えたりプログラムの実行環境を変えるものを除いて、全部 外部のプログラムを実行する。シェル自身が実行するコマンドを 組込みコマンド （ built-in command ）、 そうでないものを 外部コマンド （ external command ） とう。
UNIXでは、ディレクトリの一覧表、ファイルのコピー、ファイルの画面への表 示といった基本的な仕事も、それぞれ ls, cp, cat といった名前の外部コマ ンドにより実行される。
UNIXを使って仕事をする人（利用者、ユーザ）にとって大事なものは、シェル とコマンドである。UNIXの上でプログラムを書く人 ( プログラマ ) プログラマにとって大事なことは、 システム・コール ( system call ) と ライブラリ ( library ) である。
システム・コールというのは、カーネル（システム）の機能を呼出すことである。 たとえば、ファイルの入力出力でいうと、単純な読込み read() や、単純な書 込み write() がシステム・コールである。システム・コールをより使いやすい 形にしたものが、ライブラリである。たとえば、ファイルの内容を１行読み込む fgets()や、書式付きの出力を行うprintf() などがライブラリになっている。
システム・コールもライブラリも、Ｃ言語からは、両方とも関数呼出しの形で 使えるようになっていて、一見、区別がつかない。ただしマニュアルを見ると、 システム・コールは２章、ライブラリは、３章に入っている。man コマンドで 見た時に、最初の行に"READ(2)"のように、"(2)" となっていれば、システム・ コール、"PRINTF(3)" のように、"(3)" になっていれば、ライブラリである。
システム・コールは、トラップ命令（trap instruction）を含んでいる。これ は、カーネルに制御を移す働きがある。この部分は、アセンブリ言語で書かれ ている。ライブラリ関数は、アセンブリ言語で書かかれているものもあるが、 大部分はＣ言語で書かれている。
システム・コールとライブラリの集合を API (Application Program Interface) という。 たとえＣ言語で書かれていても、API が違うとコンパイルして機械語に変換す ることはできても、実行できない。
ライブラリやシステム・コールは、コンパイルされてオブジェクト・コードの 形で保存されている。これらは、実行形式を作る時に 抜き出され、アプリケーション・プログラマから作成した オブジェクト・コードと結合される。この操作を、 リンク(link) ( リンケージ・エディット(linkage edit)、 結合編集 ) という。
リンクには、静的リンクと動的リンクの２種類がある。 静的リンク(static link) では、プログラム実行する前(実行形式を作成する時点)で、ライブラリ関数の 呼出しをすべて機械語の手続き呼び出し命令にしたり、データへの参照を絶対 番地に変換する。 動的リンク(dynamiclink) では、プログラム実行中に必要に応じてリンク処理を行う。
動的リンクを行う時には、しばしば 共有ライブラリ(shared library) を使う。これは、複数のプロセスで共通に使うライブラリを動的リンクで共有 するものである。動的リンクを使うことで、実行時の環境に応じてプログラム の動きを変えることができる。この機能を使って、たとえば、古いバージョン のシステムでコンパイルされた実行形式をバージョンのシステムで動作させる ことができる。また、共有ライブラリを使うと、１つひとつの実行形式が小さ くなるので、メモリの節約にななる。
デーモン ( daemon ) とは、本来オペレーティング・システムの一部であるが、他のプログラムと 同じようにプロセスとして活動しているプログラムである。たとえば、プリント・ デーモンは、カーネルと同じように、いろいろな利用者からの仕事（プリント） を請け負う。デーモンというのはUNIXの言葉で、一般的には、 サーバ・プロセス ( server process ) とう。これは、サービスを提供するプロセスを意味する。
最近では、 ＧＵＩ(Graphical User Interface) を提供するコンピュータが普通である。ＧＵＩを提供するための中心的なシス テムであるウィンドウ・システムである。ウィンドウ・システムも、シェルに 並んでコンピュータの利用者に対する見え方を決定する重要な要素である。
ウィンドウ・システムは、オペレーティング・システムとは独立した存在とし て扱わることもありますが、目的や役割を考えるとオペレーティング・システ ムと共通している。 O2 で動いているウィンドウ・システムは、Ｘウィンドウである。Ｘウィンド ウでは、モニタやキーボードを管理するサーバ・プロセスとそれらを利用する クライアント・プロセスに分かれている。プロセスとは、一言で言えば、プログラムの実行時のイメージ。ここで、 プ ログラムというのは、ＣＰＵが実行できる機械命令の集まり（実行形式、ロー ド・モジュール）のことである。
１つのプログラムを同時に２個動かすことを考えるとプログラムとプロセスの 違いがはっきりする。プロセス(process)は、プロセッサ(processor,CPU)と関 係ある。
プロセスには、「利用者の代理」として計算機の中に入り込むものという側面 がある。
プロセスの操作
UNIXでプロセスを観察するには、ps コマンドを使う。
---------------------------------------------------------------------- % psPID TTY TIME CMD 26619 pts/3 00:00:00 tcsh 26664 pts/3 00:00:00 emacs 26667 pts/3 00:00:00 ps % ps ux
----------------------------------------------------------------------
図2 ソース・プログラムから実行形式まで
cc -c で実行されるプログラム
cpp(the C language preprocessor)cc1(C Compiler)as(Assembler)
図3 cc -c が実行するプログラム
コンパイルの観察。---------------------------------------------------------------------- % nl -ba today.c
---------------------------------------------------------------------- % cc -v today.c
---------------------------------------------------------------------- % cc -E today.c > today.i
---------------------------------------------------------------------- % cc -S today.c
様々なライブラリ(-lgcc -lc -lgcc) が参照されている。---------------------------------------------------------------------- % cc -c today.c
open(),close(),read(),write()
ライブラリ関数の例
fopen(),fclose(),fread(),fwrite(),printf(),scanf(),getchar(),putchar()
マクロ定義の例
getc(),putc(),isalpha(),isdigit(),
(stdin,stdout,stderr,getchar(),putchar() がマクロにもなっているシステムも多い。)
ヘッダ・ファイル stdio.h の観察
---------------------------------------------------------------------- % egrep getc /usr/include/stdio.hmain() { printf("%c\n",getc(stdin) ); printf("%c\n",getchar() ); } % cc -E getchar.c > getchar.i
----------------------------------------------------------------------
1: /*
2: write-hello-c.c -- writeシステムコールの利用
3: ~yas/syspro/file/write-hello-c.c
4: Start: 2001/04/15 21:00:35
5: */
6:
7: char hello[] = { 'h','e','l','l','o','\n' };
8:
9: main()
10: {
11: write( 1,hello,6 );
12: }
----------------------------------------------------------------------
Ｃ言語からの利用する時には、関数呼び出しの形になる。ライブラリ関数との
違いは、一見しただけではわからない。
実行例。
---------------------------------------------------------------------- % cp ~yas/syspro/file/write-hello-c.c .
---------------------------------------------------------------------- 1: # 2: # write-hello-s.s -- writeシステムコールの利用(アセンブリ言語) 3: # ~yas/syspro/file/write-hello-s.s 4: # Start: 2002/04/14 18:15:08 5: 6: .text 7: .align 2 8: .globl main 9: main: 10: pushl %ebp 11: movl %esp, %ebp 12: pushl %ebx 13: pushl %eax 14: 15: movl $1, %ebx 16: movl $hello, %ecx 17: movl $6, %edx 18: movl $4, %eax 19: int $0x80 20: 21: movl -4(%ebp), %ebx 22: leave 23: ret 24: 25: .data 26: .align 0 27: hello: 28: .byte 104 29: .byte 101 30: .byte 108 31: .byte 108 32: .byte 111 33: .byte 10 ----------------------------------------------------------------------
実行例。
---------------------------------------------------------------------- % cp ~yas/syspro/file/write-hello-s.s .
Java では、char は、整数型とはまったく違う。相互に代入できない。 (Java の char は、内部的には、16 ビット。Unicodeで符号化される。)
int i ;
char c;
i = c ; /* C では OK. Java ではエラー */
図2-1 バイト・オーダ(その１) 図2-2 バイト・オーダ(その２)
----------------------------------------------------------------------
1: /*
2: byte-order.c -- バイト・オーダを調べるプログラム
3: ~yas/syspro/cc/byte-order.c
4: Start: 2001/04/22 19:01:41
5: */
6:
7: int i=0x12345678 ;
8:
9: main()
10: {
11: char *p,c ;
12: printf("&i == 0x%x\n",&i );
13: p = (char *)&i ;
14: printf(" p == 0x%x\n",p );
15: c = *p ;
16: printf(" c == 0x%02x\n",c );
17: printf("{0x%02x,0x%02x,0x%02x,0x%02x} \n",p[0],p[1],p[2],p[3] );
18: }
----------------------------------------------------------------------
実行結果。gdb で変数の番地を調べて、その番地の内容を x コマンドで表示
する。
---------------------------------------------------------------------- % cc -g byte-order.c -o byte-order
main()
{
char c = 'A' ;
f( c ); /* ここで符合拡張が行われる */
}
f(char c) /*int c でも受けられる。*/
{
....
}
次のプログラムは、間違い。ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count); ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
----------------------------------------------------------------------
main()
{
void *buf ;
read( 0, buf, 1 );
}
----------------------------------------------------------------------
ポインタ buf 変数は、番地を保持する。ポインタを使う時には、どの番地を
指しているかが大事である。初期化されていない。ポインタも、どこかの番地
を差している。そのどこかは、メモリが割り当てられていないかもしれない。
ポインタは、必ず次のいずれかの方法で初期化して使う。
int x ;
buf = &x ;
% man システムコール名
% xman &
% man 2 write
Unix System V (Solaris など) では、２章の write を読むには、次のように -s オプションを使う。
% man -s2 write
各章の説明は、intro を読むとよい。たとえば、システムコールの場合は、次 のように打つ。
% man 2 intro
xgdb ではなく、xxgdb。x が2回。 Emacs (Mule) の中から gdb を呼ぶ。ソース・プログラム上でどこを実行して いるかを追うことができる。 使い方。% xxgdb progname &
gdb progname リターン」と打つ。
----------------------------------------------------------------------
int myputchar(int c)
{
...
write(1,...,...);
...
}
int myputs(char *s)
{
...
write(1,...,...);
...
}
----------------------------------------------------------------------
main() 関数を付けて、正しく動いていることがわかるようにしなさい。たと
えば、次のようになる。
----------------------------------------------------------------------
main()
{
myputchar('h');
myputchar('e');
myputchar('l');
myputchar('l');
myputchar('o');
myputchar('\n');
}
main()
{
myputs("hello\n");
}
----------------------------------------------------------------------
注意：myputchar() では、
符合拡張にも気をつける。
myputchar() では、番地を調べて、その番地から1 バイトだけ write する。 myputs() では、文字列の長さを調べて、その長さ分のバイトだけ write する。
----------------------------------------------------------------------
int mygetchar()
{
...
read(0,...,...);
...
}
----------------------------------------------------------------------
main() 関数を付けて、正しく動いていることがわかるようにしなさい。
注意：プログラムを実行する時に、stty cbreak; をした後に実行すると オペレーティング・システムによるバッファリングを抑止できる。
通常の実行では、^D (Control D, Control キーを押しながら d キーを押す) で、プログラムに EOF (end of file) が伝わる。stty cbreak では、^D は効 かないので、^C でプログラムを強制終了させる。---------------------------------------------------------------------- % cat
できれば、myputchar() と共に解きなさい。
注意：ライブラリ関数 gets() には、バッファの長さ以上のデータが入力され た時に、問題がある。今後、決して使ってはいけない。
----------------------------------------------------------------------
main()
{
char *buf ;
read( 0, buf, 1 );
printf("%c\n",*buf );
}
----------------------------------------------------------------------
この誤りを、次の２つの方法で修正しなさい。
man で表示された #includeの部分や定数を、Ｘウインドウ、または、mule の コピー＆ペースト機能を使ってソース・プログラムに取り込みなさい。