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２回 UNIX・Linuxの基礎 担当：青木義満 [email protected] UNIXの誕生 • UNIX – 電気通信分野の巨人AT＆T ベル研究所で 1970年代に開発。 – 現在，PCワークステーション，マルチプロ セッササーバー等でマルチタスク／マルチ ユーザーのＯＳとして広く利用 Linuxの誕生 • Linux – UNIXに触発され，UNIXライクなカーネルを自 由に配布できる形で実装。 – 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 – 小規模なUNIXシステムのMINIX（Andrew Tanenbaum氏）を元に開発，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というライセンス体系に基づいて、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を再構築可能 • 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 UNIX・Linuxの哲学 • シンプル – 「Keep It Simple, Stupid」, KISSの精神 • 目的の明確化 – １つのプログラムに１つの作業（目的を絞り 込む） • 再利用可能な要素 – アプリケーションのコアとなる部分をライブ ラリ（関数群）として利用可能とする UNIX・Linuxの哲学 • フィルタ – 入力を目的に応じて変換して出力する機能 • オープンなファイル形式 – 設定ファイル，データファイルにASCIIテキスト ファイル • オープンソース，copyleft の精神 – Free Softwareの思想 – GPL（GNU General Public License） 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 UNIX/Linuxプログラミングへの誘い • C言語プログラミング （復習も兼ねて） – コンパイラとインタプリタ – 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 コンパイラとインタプリタ • 言語プロセッサ（言語処理系） – ソースファイルを機械語のプログラムに変換 – 変換前のプログラム：ソース（原始）プログラム – 変換後のプログラム：オブジェクト（目的）プログラム • ２方式の言語プロセッサ – 翻訳ソフトウェア（コンパイラ） – 解釈ソフトウェア（インタプリタ） 翻訳ソフトウェア（コンパイラ） • ソースプログラム全体を一括翻訳 • オブジェクトプログラムを生成 • コンパイラ – C，Fortran，COBOLなどの高級言語に対する翻訳ソフト ウェア • アセンブラ – アセンブリ言語に対する翻訳ソフトウェア ソースプログラム 翻訳ソフトウェア 一括入力 C，Fotran，COBOL アセンブリ言語 オブジェクト プログラム コンパイラ アセンブラ 機械語 アセンブリ言語 【解読】 【実行】 実行 結果 解釈ソフトウェア（インタプリタ） • ソースプログラムの一文ずつを解析して実行 → インタプリタ • BASIC，Java Script, Perl 等のスクリプト言語 ソースプログラム BASIC，Perl, Java Script, Ruby 解釈ソフトウェア インタプリタ 【解読・実行】 実行 結果 コンパイラの構成 字句解析 構文解析 （パーザ） コードの最適化 （オプティマイザ） オブジェクト コード生成 コンパイル方式 vs インタプリタ方式 • 実行速度 – コンパイル方式 >> インタプリタ方式 • コンパイル方式：機械語を即実行 • インタプリタ方式：一文ずつ解釈して実行 • 約倍～数十倍コンパイル方式の方が高速 • 実行の手間 – コンパイル方式 < インタプリタ方式 • コンパイル方式：修正後，要コンパイル • インタプリタ方式：修正後，直ちに実行可能 インタプリタ方式の普及 1. CPU速度の向上 • • 例）インタプリタ50秒，コンパイラ1秒の処理 CPU100倍高速化 → インタプリタ0.5秒，コンパイラ0.01秒 2. 移植性の向上 • • コンパイル方式：機械語に変換（CPU依存） インタプリタ方式：同一のソースが全てのコン ピュータで動かせる Cコンパイラの使い方 • GNUプロジェクトのgcc(GNU C Compiler)が有名 （フリーソフト，ダウンロードしてインストール可能） $ gcc option filename Optionの例 -o ファイル名を指定して実行ファイルを生成 -c リンケージエディタ（ld）を実行せずに結果を xxxx.o(オブジェクトファイル)を生成 -lx リンケージエディタ（ld）においてライブラリファイルlibx.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。 filenameの種類 xxxx.c xxxx.s C言語ソースファイル アセンブリ言語ソースファイル xxxx.i xxxx.o プリプロセッサにかけられたC言語ソースファイル オブジェクトファイル（機械語） cppコマンド #で始まる行が解釈・展開される #includeで指定されたヘッダファイルが取り込まれる cpp, cc1, as, ldコマンドの実行を制御 オプションやファイル名の拡張子により コマンドを起動 cc1コマンド 字句・構文解析，最適化→アセンブリ言語コード生成 asコマンド オブジェクトファイル生成 アドレス未決定 ldコマンド 複数のオブジェクトファイルを集め， 実行形式ファイルを生成 ファイル名指定しないと”a.out”を生成 標準プログラム • システム，アプリケーションプログラムの置き場所 1. システムが提供する汎用プログラム群 • /usr/bin 2. 特定のホストコンピュータを対象として管理者が追加し たプログラム群 • /usr/local/bin １、２を明確に分けることで，システムのアップグレードなど 保守を容易にしている ヘッダーファイル • ヘッダーファイル – 定数の定義，システムとライブラリ関数の呼び出 し宣言等が収められたファイル • 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 • システム関数用ヘッダー – /usr/include/sys など 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：stdio, mathライブラリ等） • 置き場所 – /lib – /usr/lib • gccはデフォルトでは標準Cライブラリ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 (libm.aの短縮形) • 静的ライブラリ（アーカイブ） – すぐに使える状態でまとめられた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） 等 – ライブラリに格納されているプログラムで使う場合， • 関数を宣言しているヘッダーファイルをインクルード • プログラムコードとライブラリがコンパイラと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 • その他，動的ライブラリ（共有ライブラリ） → 各自静的ライブラリとの違い調べる 実際にgccコマンドを使用 • １つのソースファイルから – オブジェクトファイル（ｰcオプション） – 実行ファイル（-oオプション） を生成 • 複数のソースファイルから， – 複数のオブジェクトファイル（ｰcオプション）を生成 – 上記オブジェクトファイルから静的ライブラリを生成 – １つの実行ファイル（-oオプション）を生成 分割コンパイル という ライブラリを用いたプログラム開発手順 • 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。（func1.c, func2.c） • 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。 • main関数のみのソースファイル main.cを作 成 具体的手順 1. 2つの関数を含む小さなライブラリの作成 • • func1.c, func2.c オブジェクトファイル生成 • gcc -c func1.c func2.c 自作ライブラリ用のヘッダファイルの作成 2. • ライブラリに含まれる関数群のプロトタイプ宣言 ライブラリを使用したメインプログラムの作成 3. • • 自作ヘッダーファイルのインクルード main関数の作成（ライブラリ関数使用）, コンパイル • gcc -c program.c ・ 作成済みのオブジェクトファイルとリンク, 実行ファイル生成 ・ gcc -o program program.o func1.o func2.o ライブラリ（アーカイブ）作成手順 • 複数のオブジェクトファイルを結合させ，ライ ブラリ（アーカイブ）を作成 • 例 – func1.o, func2.o から lib.a という名のライブラ リを作成(アーカイブコマンド：ar を使用) • ar crv lib.a func1.o func2.o – ライブラリの使用 • gcc -o program program.o lib.a – ライブラリや実行可能プログラムに含まれる関数 の調べるコマンド（nm） 強力な開発支援ツール “make” • コンパイルを要するソースファイルの数が多くなった場合，手間がかかる • １つのヘッダファイルを複数のソースファイルで使用している場合，ヘッダ ファイルの修正→ 関連する全てのソースファイルの際コンパイル • そこで・・・・ – “make” ユーティリティ • • • • 変更によって影響を受けるファイルを確実に再コンパイル プロジェクト構成ファイル群のバージョン管理 強力なプロジェクト管理ツール makefile により，アプリケーションを構築する方法，各種設定を行う 非常に便利！！ makefile の構文 • ファイル間の依存関係とファイル生成ルール を定義 • 依存関係の例 ソースファイル： main.c, 2.c, 3.c ヘッダファイル : a.h, b.h, c.h myapp : main.o 2.o 3.o main.o : main.c a.h 2.o : 2.c a.h b.h 3.o : 3.c b.h c.h 実行ファイルmyappがmain.o, 2.o, 3.oに依存 １つのファイルを更新 → 関連するファイルを自動的に再コンパイル makefile ルールの説明 • ターゲットの作成方法を記述したルール • makeコマンドが2.oを再コンパイル – gcc -c 2.c • タブにより，具体的なファイル生成ルールを記述。 • makefile の一例 TAB myapp : main.o 2.o 3.o gcc -o myapp main.o 2.o 3.o main.o : main.c a.h gcc -c main.c 2.o : 2.c a.h b.h gcc -c 2.c 3.o : 3.c b.h c.h gcc -c 3.c 実践 makefileとmakeコマンド • 用意するファイル – ソースファイル：main.c, a.c, b.c – インクルードファイル：a.h, b.h – makefile: Makefile1 • makeコマンド – make -f Makefile1 (-f オプション：メイクファイル名を指定) • ソースファイル，ヘッダファイルを変更し，その際の makeコマンドの実行結果を確認する 実践演習 ソート関数群のライブラリ 1. – sort_func.c, sort_func.h • • 整数型配列を受け取り、ソートを行う関数群の記述されたファイル ソートを行う関数は、最低２つの手法を用意すること（バブルソート、単純選択法、クイックソート、等々） サーチ関数群のライブラリ 2. – search_func.c, search_func.h • • 整数型配列を受け取り、キーボードから入力された値を配列中からサーチする関数の記述されたファイル （線形探索、二分探索、等々） サーチを行う関数は、1種類の実装でも構わない。 メイン関数ソースファイル 3. – main.c ３のmain.cでは適当なサイズの整数型配列を用意し，ソート関数群， サーチ関数群を使用してデータの並び替え（昇順、降順選択可能と すること）と、値の探索を行うこと。 実行ファイル生成にはメイクファイルを作成し，makeコマンドを使用すること！ 課題の提出方法 □下記のファイルをメール添付にて青木まで送信 ・sort_func.c ・search_func.c ・main.c ・Makefile □提出先 ・青木：[email protected] □メール題目：system1 学籍番号 苗字 例）system1 L05001 aoki □提出期限 ・10月8日（火）19時まで コマンドの詳細を調べる • man (マニュアル表示コマンド)を活用 • 例：「ls」，「gcc」コマンドについて調べたい – man ls – man gcc • コマンドの処理内容，様々なオプションの解 説 • わからないことはこれで調べる！（Englishだ けど・・・） → http://www.alc.co.jp など利用 参考資料 コンパイルオプション一覧
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