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情報工学科 3年生対象 専門科目
システムプログラミング
第1回 導入
第2回 Linux、分割コンパイル
情報工学科
篠埜 功
講義計画
OSの授業で学んだことをプログラミングを通し
て体験することを目的とする。
• スクリプト言語を用いたプログラミング
• システムコールを使ったプログラム作成
– ファイル操作
– プロセス
– シグナル
– プロセス間通信
• 簡易なweb serverを作成する
参考書
C言語によるUNIXシステムプログラミング入門,河野
清尊 著,オーム社 ¥2940(税込)
成績評価
• レポート課題(50%)
• 期末試験(50%)
連絡先
• 篠埜 功
居室: 豊洲校舎 14階 14K32
E-mail: [email protected]
講義用ページ: http://www.sic.shibaurait.ac.jp/~sasano/lecture/lecture.html
ここへスライドのファイルを置く。授業の日程もここ
に記述する。
Operating Systemとは
• コンピュータのハードウェアを人間にとって使い易
い形にして提供するプログラム
– ハードウェアの仮想化、抽象化
• (例)ファイルシステム --- ファイル単位でデータを扱える(仮
想化)。ハードディスクの機種の違いを吸収(抽象化)
– ハードウェア資源の管理
• (例)あるプログラムがあるファイル(test.txtなど)への書き
込み中に、別のプログラムがそのファイルに書き込めないよ
うにする
– ハードウェア資源を効率的に利用
• (例)マルチタスク --- 複数のプログラムを(見かけ上)同時
に動作させる。(CPUの有効利用)
講義の前提
• オペレーティングシステムの講義内容の基
本的な部分を理解している
• C言語によるプログラミングに慣れている
• 関連科目
– オペレーティングシステム,プログラミング入
門1,2
本講義の概要
• OSについてLinuxを例として体験的に学習
• Linux上で、シェル、C言語によるシステムプ
ログラミング
Windows
ソースコードが非公開
Linux
ソースコードが公開されている
※情報工学科ではLinuxなどのUnix系OSに触れておく
のは必須。
学習目標
• オペレーティングシステムが提供するシステ
ムコールを用いるプログラムが書けるように
なる。
– ネットワーク、ファイル操作等
・プログラミングの自由度を広げる。
・よりOSに近いレベルのプログラム開発を通して
OSの機能に対する理解度を深める。
ソフトウェア
システムコール
我々が書く通常の
プログラム
システムコール
カーネル(kernel)
カーネル:Linuxの核をなす部分。
ハードウェア、プロセスの管理を
する。
プログラムからシステムコールを呼び出すことにより、
Linux kernelが管理しているハードウェア(ハードディスク、
ネットワーク等)にアクセスしたり、他のプロセスと通信を
行ったりすることができる。通常は直接システムコールは
呼ばず、ライブラリ関数を呼び出す。(ライブラリ関数の中
でシステムコールが呼ばれる。)
ハードウェア
システムコールの例
User program
・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・
fscanf()
・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・
Data File
システムコール
read
・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・
シェル
• ユーザーとUNIXシステムの間のインタフェー
スとして機能するプログラム
– コマンド入力を受けつけ、解釈し、実行する。
csh, bash, tcsh等がある。(演習室の環境においては、
/bin/cshは/bin/tcshへのリンク)
[課題] fingerコマンドで各自の使用しているシェルを確
認せよ。
$ finger sasano
のように、自分のユーザ名を引数として与えればよい。
シェルスクリプト
• シェルでは変数や繰り返し機能を用いることができ
る。
– 少し複雑な処理程度であればC言語などでプログラムを
書かなくても、シェルの機能で簡単に行うことができる。
• ファイルに保存しておいてプログラムのように
実行することができる(シェルスクリプト)
シェルスクリプトの例
• あるディレクトリ中の、拡張子が.cのファイルすべてに
対して、.bakという拡張子をつけてバックアップをとる
。以下の内容のファイルをbackup.shという名前で作
成せよ。
#!/bin/sh
for file in *.c
do
echo $file
cp $file $file.bak
done
exit 0
課題
ディレクトリを一つ作成し、そのディレクトリ内に
.cを拡張子とするファイル(中身は何でもよい
)を3つ程度作り、作成したシェルスクリプトを
そのディレクトリで実行して確認せよ。
シェルスクリプトの利点
• 豊富なUNIXコマンド群を有効活用
• 例えば、
– ディレクトリ内にある画像ファイル全てに対して,
プログラムによりある処理を施す
– 複数のファイルから,ある特定の文字列を含む
ファイルのみに対して何らかの処理をする
UNIXの誕生
• UNIX
– AT&T ベル研究所で1970年代に開発。
– 当時、MulticsというOSが複雑になり過ぎており、
単純なOSを作りたいということで作られた。
– 最初はアセンブリ言語で書かれていたが、当然
移植性が悪かった。移植性を高くするためにC言
語が開発され、CでUnixが書きなおされた。Cは
高級言語であり、かつ細かい処理も書け、システ
ムプログラミングに最適。
ユーザインタフェース(1)
(参考書1.1節)
• GUI (Graphical User Interface)
• 画面でメニューやアイコンなどを見ながらマウスなどを
使って操作
• コマンド名を覚えなくてもアイコンで分かる。(たとえば、
Word, Internet Explorerの起動アイコンなど)
• 1973年 XeroxがAlto(アルト)を開発。初めてGUIを搭
載したコンピュータと言われている。
• Apple社のMacintosh、Microsoft社のWindows、
UNIX系OSのデスクトップ環境(X Window System上)
ユーザインタフェース(2)
• CLI (Command Line Interface)あるいはCUI
(Character User Interface)
– MS-DOSにおいては、 C:\> などのプロンプトに続
いてユーザがコマンドを入力
– UNIX系OSにおいては、シェルのプロンプトに続い
てユーザがコマンドを入力
– コマンド名を覚えなければならない。
– Windowsにおいては、MS-DOSのウィンドウ,
UNIX系OSのデスクトップ環境においては、端末エ
ミュレータのウィンドウを開くことによりCLIとなる。
GUIとCLIの比較(1)
• GUIは、マウスなどのポインティングデバイスを用いるので操
作に時間がかかる。
• CLIは、キーボード操作に慣れれば、操作が速い。
• (例)短い内容のテキストファイル(This is a test. など)を作成
する場合
– GUIでは、メインメニュー -> プログラム -> アプリケーション
-> テキストエディタ ---- データ入力 ---- ファイル -> 名前を
付けて保存 -> 名前の入力 -> 終了
– CLIの場合(今、試しに行う。)
$ cat > test.txt
This is a test.
<CTRL-Dを入力>
$
GUIとCLIの比較(2)
• シェルのパイプ機能を使って、複数のコマンド
をつなぎあわせて実行したりできる。
– (例) lsでファイルが多すぎるときに一画面分ずつ
表示
$ ls | less
• シェルのリダイレクト機能を使って入力元や
出力先を切り替える
– (例) カレントディレクトリのファイル名一覧をファイ
ルに書き出す
$ ls > filelist.txt
Linuxの誕生
• Linux
– Finland, ヘルシンキ大学の大学院生,Linus
Torvalds(ライナス・トーヴァルド氏)開発,1991
年
– MINIX(Andrew Tanenbaumが教育用に作成し
たUnix風OS)を実用化しようとしたが,了承が得
られず、Linusが自分で一から開発。インターネッ
ト上の多くのUNIXプログラマも協力し,発展
Linuxの特徴
• GPLというライセンスに基づいて、誰でも自由に
改変・再配布することが可能
• 他のOSに比べ、低い性能のコンピュータでも軽
快に動作
• ネットワーク機能やセキュリティーに優れ、安定
• 必要な機能だけを選んでOSを構築可能
• システムの構築・運用に必要なソフトウェア群(コ
マンド、インストーラ、ユーティリティ)とともに配布
。カーネルとこれらのソフトウェアをまとめた配布
パッケージをディストリビューション(distribution)と
いう
Linuxの特徴
• オープンソース
– ソースコードが公開されている
• GPL(GNU General Public License) --- copyleft
– 改変等は自由だが、改変後の配布時にソースコードを開
示しなければならない。
(参考) BSD license (Berkeley Software Distribution
License)はcopyleftではない。OSではFreeBSDなど、OS以
外ではPostgreSQLなどがBSD license。BSDをベースにした
ライセンス(BSD style lisence)ではApache、Python等。
Copyright と Copyleft
• 使用許諾契約書
– 通常の商用ソフトウェアは,ソフトウェアの使用に
関しての制限を設ける
• Copyleft
– フリーソフトウェアの使用に関して他者が制限を
設けることを禁じる
GPLに従って配布されているソフトウェアの例
gcc: Cコンパイラ
emacs: テキストディタ
C言語プログラミング
(参考書1.2節)
• Cコンパイラ(gcc)の使い方
• Cコンパイラの処理の流れ(詳細)
• 静的リンクと動的リンク
gcc(GNU C Compiler)の使い方
(参考書1.2.2節)
$ gcc オプション ファイル名
($ man gcc で使い方が表示される。)
Optionの例
(オプションは書かなくてもよい。)
-o name 実行ファイルをnameという名前で生成
-c
分割コンパイル(リンクはしない)
-lxxx
ライブラリファイルlibxxx.a
を検索。libc.aはdefaultでリンク。libm.aは算術演算
ライブラリで,-lmで指定。
$ gcc -print-file-name=libm.a でリンク時に使われる
libm.aの絶対パスが表示される。
filenameの拡張子(gccは拡張子によって処理を切り替える)
xxxx.c C言語ソースファイル
xxxx.s アセンブリ言語ソースファイル(-S オプション)
xxxx.o オブジェクトファイル(-c オプション)
他にも拡張子がいくつかある。
ライブラリ
• ライブラリ
– 再利用を目的として作成されたコンパイル済み関数群(例:
mathライブラリ libm.a 等)
• 置き場所
– /lib, /usr/lib など。
• gccはデフォルトでは標準Cライブラリ(libc.a)内の関数しか検索
しないため,追加したいライブラリがある場合には明示的に指
定する。
• 算術ライブラリ使用例:
gcc program.c -o program /usr/lib/libm.a
もしくは
gcc program.c -o program -lm
(リンカがlibm.aを検索する)
• -Lオプションでライブラリを探すディレクトリを追加指定できる。
ライブラリ
• 静的ライブラリ
– オブジェクトファイルの集合体(拡張子***.a)
• 例: /usr/lib/libc.a(標準Cライブラリ), /usr/lib/libm.a(算術
ライブラリ)
– ライブラリに格納されている関数を使いたい場合、
• 関数を宣言しているヘッダーファイルをインクルード
• プログラム(のコンパイル結果)とライブラリがリンカによっ
て結合され、1つの実行可能プログラムを生成
• 動的リンクライブラリ dynamic link library(あるいは共有ライブラ
リ shared library)がある。(次回説明)
– Linuxでは拡張子は.so、windowsでは.dll
– リンク時ではなく、プログラム実行時にメモリー上にロードされ
る。これにより、実行形式ファイルのサイズが小さくなる。
ヘッダーファイル
• ヘッダーファイル
– ライブラリ関数の型の宣言等が記述されているフ
ァイル。プリプロセス時に読み込む。
• Cの場合
– stdio.h (標準入出力ヘッダー)
– stdlib.h (標準ライブラリヘッダー)
– math.h (算術関数用ヘッダー)
– /usr/include, その下のサブディレクトリ
– -I(エルの小文字ではなく、アイの大文字)オプショ
ンでヘッダーファイル検索ディレクトリを追加指定
できる。
分割コンパイル
– C言語プログラムを一つのファイルに全部書くのではなく、
複数のファイルに分けて記述する。
– それぞれのCファイルは個別にコンパイルできる(分割コン
パイル)。.oファイルが生成される。
$ gcc –c test.c
などを実行すると、test.oというファイルが生成される。
– 再配置可能なコードが生成される。リンク時に解決。
– 一つのファイルを修正した場合、他のファイルのコンパイ
ルをやり直さなくてよいので、修正時のコンパイル時間が
短縮される。(ただし、リンクのやり直しは必要)
分割コンパイルによるコンパイル手順(例)
2つのdouble型の足し算を行う関数addを定義したC言語ファイ
ルadd.cを作成し、分割コンパイル(add.oが生成される)
$ gcc -c add.c
2. ヘッダファイルの作成
– 関数addのプロトタイプ宣言 double add (double, double);
を記述したファイルadd.hを作成
3. add関数を呼び出すmain関数を記述したC言語ファイルmain.c
を作成
– add.hをインクルード (#include “add.h” をファイルの先頭に
記述)
– gcc -c main.c
– リンクし、実行形式ファイルをmainというファイル名で作成
・ gcc -o main main.o add.o
1.
演習課題
• 2つのdouble型の足し算をする関数addを定
義したCファイルadd.cを作成
• add関数のプロトタイプ宣言をadd.hに作成
• add (3.0,4.0) のような計算を行って結果を表
示するmain関数をmain.cに記述
• さきほどの手順で、分割コンパイルをし、リン
クして実行形式ファイルmainを作成
• mainを実行
ライブラリの作成
• ライブラリ化したい関数を記述したソースファ
イルを作成。(add.c, mult.cなど)
• アーカイバ ar でアーカイブを作成
• 関数のプロトタイプ宣言を記述したヘッダーフ
ァイルを作成
ライブラリ(アーカイブ)作成手順(例)
• 複数のオブジェクトファイルをアーカイバ ar を用いて一つのファイ
ルにまとめる。(ar はオブジェクトファイルに限らず使えるが、普通
はライブラリ作成に用いる。)
– add.o, mult.o からアーカイブ libaddmult.a を作成
• ar crv libaddmult.a add.o mult.o
– addとmultのプロトタイプ宣言をaddmult.hに作成
– リンク
$ gcc -L. main.o -laddmult
あるいは $ gcc –L. main.c –laddmult でもよい。
あるいは $ gcc main.c libaddmult.a でもよい。
(実行ファイルをa.out以外にする場合は-oオプションで指定)
– (参考)ライブラリや実行可能プログラムに含まれる関数を調べ
るコマンド(nm)が使える。
演習課題
• 2つのdouble型の足し算をする関数addと掛け算を
する関数multをadd.c, mult.cに作成
• add.c, mult.cを分割コンパイル
• add.o, mult.oをarでまとめてlibaddmult.aを作成
• mult (add (3.0,4.0), 3.0)のような計算を行って結
果を表示するmain関数をmain.cに記述
• main.cを分割コンパイル
• 前ページの手順でリンクして実行