【Linux カーネル: OS 入門１】OS、カーネルとは

OS (Operating System)OS (Operating System) とは、主に以下の２つの役割を持つソフトウェアです。
・ハードウェアの管理
・プロセス (実行中のソフトウェア) からハードウェアにアクセスする方法を提供

Linux とはLinux とは、OS の一種で、次の３つから構成されます。
・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

Linux Operating System has primarily three components
Kernel − Kernel is the core part of Linux.
System Library − System libraries are special functions or programs using which application programs or system utilities accesses Kernel's features.
System Utility − System Utility programs are responsible to do specialized, individual level tasks.
https://www.tutorialspoint.com/operating_system/os_linux.htm

Linux カーネルの機能
OS・カーネル	CPU・プロセス管理	メモリ管理	ストレージ管理
ファイルシステム	RAID	I/Oデバイス管理	IPC (プロセス間通信)

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ハードウェア/ソフトウェアとは

初めに、ハードウェア/ソフトウェアについて確認しておきます。

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デバイス (機械) のことです。

主要なハードウェアは以下のとおりです。

引用：https://medium.com/software-design/why-software-developers-should-care-about-cpu-caches-8da04355bb8a

ハードウェア名	役割	イメージ
CPU	計算処理を行うデバイス
レジスタ (CPU の中にある)	CPU の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
キャッシュメモリ (CPU の中にある)	CPU とメモリ間のバッファ・CPU の計算結果をキャッシュ・電源を消すとデータが消える
メモリ（主記憶装置/Primary Memory）	CPU で実行中のプログラム (プロセス) や、その計算結果を一時的に置くデバイス・CPU からアクセス可能な記憶領域・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）	メモリにある計算結果をファイルとして保存するデバイス・CPU からアクセス不可能な記憶領域 (メモリにロードする必要あり) ・電源を切ってもデータが消えない
NIC (Network Interface Card)	データを他のコンピュータと送受信するデバイス昔は拡張カードの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バイス
ディスプレイ	データの出力を行うデバイス

記憶装置の特徴

各記憶装置の特徴の比較は以下のとおりです。

CPU の動作モード

CPU の動作モードには「カーネルモード」と「ユーザーモード」があります。

	カーネルモード	ユーザーモード
動作するソフトウェア (プロセス)	カーネル	カーネル以外
ハードウェアへのアクセス制限	なし	あり
プロセスの同時実行	可能	不可能 (割り込みで切り替え)

https://ja.wikipedia.org/wiki/CPU%E3%83%A2%E3%83%BC%E3%83%89

ソフトウェアとは

ソフトウェアとは、コンピュータの処理やデータのまとまりのことです。
ソフトウェアは、「ハードウェアの物理事象」に、「論理的な意味を持たせたもの」です。
※例：「電圧 (物理事象)」が「低い場合は０、高い場合は１を表す(論理的な意味)」

主なソフトウェアの一覧は以下とおりです。

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実行中のプログラムの単位子プロセスは新しく仮想メモリを確保
スレッド	プロセスの CPU コアを利用する単位子スレッドは親スレッドの仮想メモリを共有
アプリケーション	やりたいことを実現するプログラム
モジュール	特定の機能を持つ小さなプログラムモジュールを組み合わせてアプリケーションやライブラリを作る
ライブラリ	再利用可能な形でまとめたプログラムライブラリ単体では動かない
パッケージ	プログラムの実行に必要なものをまとめたもので、主に以下が含む・実行ファイル・ライブラリ・モジュール・設定ファイル・リソース (画像・音楽ファイルなど) パッケージとライブラリの関係については、卵が先か鶏が先かのような話パッケージ A に含まれるライブラリには、パッケージ B が含まれていたりする。
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
カーネル	ハードウェアを操作するためのソフトウェア
システムライブラリ	アプリケーションがカーネルを呼び出すためのライブラリ
システムユーティリティ	コンピュータの「分析・管理・保守」を行うソフトウェア
OS	カーネル・システムライブラリ・システムユーティリティをまとめたもの

※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
https://e-words.jp/w/%E3%83%91%E3%83%83%E3%82%B1%E3%83%BC%E3%82%B8.html

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カーネルとは

カーネルカーネルとは、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。

ユーザーモードで動作するソフトウェア (プロセス) がカーネルを呼び出す場合、システムコールを利用します。(※ユーザーモードで動作するプロセスは、ハードウェアリソースにアクセス出来ません)

システムコール

システムコールとは、プロセスがハードウェアリソース (CPU/メモリ/ストレージ等) にアクセスするために、カーネルを呼び出す処理です。

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こちらをご覧ください。

カーネルの役割

カーネルは、以下の役割を持ちます。

ハードウェア・リソース (CPU、メモリ、ストレージ等) の管理
ソフトウェアからハードウェア・リソースへのアクセスを抽象化

ハードウェア・リソースの抽象化

ハードウェア・リソースの抽象化とは、ハードウェアの違いを吸収するカーネルの機能です。

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。

例えば、プログラムは次の３つの違いを気にせずに、同じシステムコールの write() で書き込み可能です。

「A 社の SSD」
「B 社の SSD」
「C 社の USB メモリ」

ハードウェアリソースの管理

ハードウェアリソースの管理とは、次の３つのカーネルの機能です。
・プロセスが利用するハードウェア・リソースの量を決定
・プロセスが利用するハードウェア・リソースの順番を決定
・他のプロセスがハードウェア・リソースを利用している場合、プロセスを待たせる

カーネルの代表的な機能

カーネルの代表的な機能を８つ紹介します。

カーネルの機能	対象のハードウェア	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
ストレージ管理ファイルシステムソフトウェア RAID	ストレージ	プロセスからストレージにデータを読み書き
I/O デバイス管理	全てのデバイス	デバイスへの入出力
IPC	NIC	プロセス間の通信 (NIC 経由でネットワーク通信を実現)