【Linux カーネル: OS 基礎入門１】OS、カーネルとは

本記事は全５回に渡る Linux カーネルの解説のうち第１回「OS、カーネル」に関する記事です。

その他の Linux カーネルの解説については以下の記事をご確認ください。

OS、カーネルは「ハードウェア」と「ソフトウェア」の仲介役なのですが、まずは「ハードウェア」・「ソフトウェア」について整理しておきたいと思います。

ハードウェアとは

ハードウェアとは、コンピュータで物理的な処理を行う機械のことです。

主なハードウェアの一覧は以下のとおりです。

レジスタを含めた記憶装置の性能比較は以下のとおりです。

ソフトウェアとは

コンピュータで利用する論理的な意味を持つデータのことです。
ハードウェアと違って、物理的に手で触れないものとも言えます。

ソフトウェアには以下の種類が存在します。

ソフトウェア名	説明
プログラム	処理を行うために作られたソフトウェア
プロセス	メモリにロードされた実行中のプログラム
アプリケーション	やりたいことを実現するプログラム
ミドルウェア	アプリケーションがよく利用する OS の機能をまとめたプログラム
OS	ハードウェアを操作するためのプログラムの集合システムソフトウェアとも言う

※厳密な定義は諸説あるのでざっくりそんなもんだと理解してください

Linux OS とは

Linux はオープンソースの（ソースコードの公開された）OS です。
OS には、主に以下の２つ役割があります、
・「ハードウェアリソース（CPU やメモリ等）の管理」
・「ハードウェアの抽象化（ハードウェアの違いを OS が吸収）」

ハードウェアリソースの管理

ハードウェアリソースとは、「CPU・メモリ・ストレージ等」のことです。
OS は「CPU・メモリ・ストレージ」を管理します。

どのプロセス（動作中のプログラム）がどれぐらいハードウェアリソースを使うか決める
ハードウェアリソースを利用する他プロセスが既にいる場合、プロセスを待たせる
次にハードウェアリソースを使うプロセスの順番を決める

ハードウェアの抽象化

ハードウェアの抽象化とは、ハードウェアの違いを OS が吸収することです。

プログラムはハードウェアの違いを気にする必要がありません。

プログラムは同じ write() 命令で、「A 社の SSD」でも、「B 社の SSD」でも、「C 社の USB メモリ」でも、OS がいい感じに変換してくれるので書き込みが可能です。

Linux OS の構成

Linux OS は以下の要素から構成されます。

カーネル（狭義の意味での Linux はこれを指します）
システムライブラリ
システムユーティリティ

カーネルとは

カーネルとは、CPU の動作モードがカーネルモードで動作するソフトウェアのことです。
カーネルは、プロセス（実行中のプログラム）がハードウェアリソース（CPU, Memory, マウス, キーボード, モニターなど）を操作するために利用するソフトウェアです。

CPUの動作モード

CPU の動作モードには次の２つがあります。

カーネルモード
- 全てのハードウェアリソースにアクセス可能なモード
- カーネルソフトウェアはこのモードで動作
- 単一のプロセス（動作中のプログラム）で実行
- つまり、他のプロセスが実行中の場合は、割り込んで処理
ユーザーモード
- 処理に制限があるモード
- カーネルソフトウェア以外のソフトウェアはこのモードで動作
- 複数のプロセスを同時実行可能

システムコール

システムコールは、プロセスがカーネル機能を呼び出す処理のことです。

例えば、プロセスがハードウェアリソース（SSD, USB メモリ等）にデータを保存する場合、システムコールを呼び出します。

これは、ユーザーモードのプロセスでは、ハードウェアリソースにアクセス出来ないからです。

プロセスから呼び出されるシステムコールの一覧は strace <実行プログラム> で確認可能です。

strace echo hello

execve("/usr/bin/echo", ["echo", "hello"], 0x7fff614927f8 /* 42 vars */) = 0
brk(NULL)                               = 0xe9f000
・・・・

システムコールの一覧は以下の記事で確認可能です。

Man page of SYSCALLS

システムライブラリとは

システムライブラリは、アプリケーションがカーネル機能を呼び出すために利用するライブラリです。（つまりライブラリの中身はシステムコールが含まれます）

システムライブラリの具体例は glibc ライブラリです。

アプリケーションは、以下の２つの方法でカーネル機能を呼び出せます。

アプリケーション-->システムライブラリ(glibc)-->システムコール-->カーネル
アプリケーション-->システムコール-->カーネル

システムコールを直接呼び出すのではなく、システムライブラリを経由する理由は以下の２つです。

複雑なシステムコールより、簡単なシステムライブラリを使いたい
システムライブラリは、システムコールの呼び出しをある程度最適化している
- システムコールの回数を減らす工夫がしてあり、誰が使ってもある程度速い

システムユーティリティとは

システムユーティリティとは、コンピュータシステムの「分析・管理・保守」等を行うソフトウェアのことです。

具体的には以下のようなソフトウェアを指します。

cat コマンド（ファイルの表示）
cp コマンド（ファイルのコピー）
date コマンド（日付を表示）

UNIX におけるシステムユーティリティの一覧は以下の wiki にまとめられています。

UNIXユーティリティの一覧 - Wikipedia

カーネルの機能

ここでは、カーネルの代表的な機能を４つ紹介します。

カーネルの機能	対応する主なハードウェア	説明
プロセス管理	CPU	プロセスに CPU を割り当てる
メモリ管理	メインメモリ	プロセスにメモリを割り当てる
ファイルシステム	ストレージ	ストレージのデータの読み書き
I/O デバイスとの通信	全てのデバイス	デバイスの入出力

上記の４つの機能については、【Linux 基礎入門２〜５】で紹介しているのでご覧ください。

参考資料

参考書籍

参考サイト

OS Exams Questions with Answers - Tutorialspoint

OS Exams Questions with Answers - These selected questions and answers are prepared from Operating Systems Exam point of view and will also help in quick revisi...

ハードウェア名	役割	イメージ
CPU	計算処理を行う以下の２つの計算モードを持つ・ユーザーモード（ソフトウェアの処理を行うモード）・カーネルモード（ハードウェアにアクセスするモード）
レジスタ	CPU が計算で利用する値を置く領域電源を消すとデータが消える
メモリ（主記憶装置/Primary Memory）	CPU が実行中のプログラムやその計算結果を一時的に置く領域電源を切るとデータが消える
ストレージ（補助記憶装置/Secondary Memory）	電源を切ってもデータが消えない領域
NIC	データを他のコンピュータと送受信昔は拡張カードの１つだったが、最近はマザーボードに最初から搭載
マウスキーボード	データの入力を行う
ディスプレイ	データの出力を行う