ソフトウェアアーキテクチャ - No.1 オペレーティング・システム

ソフトウェアアーキテクチャ
No.1 オペレーティング・システム
萩野達也
慶應義塾大学環境情報学部
2015/4/13
萩野達也 (慶應義塾大学環境情報学部)
ソフトウェアアーキテクチャ
2015/4/13
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主題と目標
コンピュータの基本ソフトウェアであるオペレーティングシステム
(OS) およびその上のミドルウェアとして重要なソフトウェアシステ
ムについて，その仕組みについて学習する．
取り扱うソフトウェアシステム
電子メールシステム
World Wide Web
文書清書システム
プログラミング言語 (C, LISP)
Java Virtual Machine
データベース管理システム
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ソフトウェアアーキテクチャ
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授業予定
1
オペレーティングシステム
8
ネットワークシステム
2
ファイルシステム
9
電子メールシステム
3
シェルの働き
10
分散ファイルシステム
4
文書清書システム
11
World Wide Web
5
C 言語コンパイラ
12
ウインドウシステム
6
LISP 処理系
13
データベース管理システム
7
Java 仮想機械
14
まとめ
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オペレーティングシステム
OS = Operating System
基本ソフトウェア
ほとんどすべてのコンピュータに入っている
PC で利用されている OS
Windows: 95, 98, Me, XP, Vista, 7, 8
Mac OS: 9, X
UNIX: Linux, FreeBSD, NetBSD, OpenBSD, Solaris
その他の OS
携帯電話の OS: iOS, Android
車に搭載する OS: iTron
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質問
自分の PC に入っている OS はなんですか?
OS はコンピュータにとって空気あるいは水のどちらと言えますか?
OS を利用している実感はありますか?
OS に必要なこと (要求されること) は何でしょう?
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ソフトウェアの階層
アプリケーション
ライブラリ
シェル
ミドルウェア
オペレーティングシステム
デバイスドライバ
ハードウェア
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6 / 20
オペレーティングシステム
コンピュータ上で動作しているすべてのプログラムを制御
プログラムに対してさまざまなサービスを提供
ハードウェアに命令を追加した仮想機械の提供
コンピュータ上の資源の管理
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ミドルウェア
アプリケーションとオペレーティングシステムの間に位置
OS では提供されていないさまざまなサービスを提供
アプリケーションが利用するソフトウェア群
ウィンドウシステム
データベース管理システム
シェル (通常はミドルウェアとはいわれない)
Web サーバ (ミドルウェア的な役割)
センサーミドルウェア
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ライブラリ
便利な関数の集まり
別のソフトウェアに組み込まれて利用されるソフトウェア
ファイル操作ライブラリ
数値計算ライブラリ
統計処理ライブラリ
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アプリケーション
実際にユーザが用いるプログラム
アプリケーション = 応用
種類
言語処理系
テキスト編集，画像編集，動画編集
システムアプリケーション (バックアップ，クリーンアップなど)
メールや Web ブラウザなどのネットワークアプリケーション
シュミレーションや数値解析などの科学計算アプリケーション
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オペレーティングシステムの役割
ハードウェアの制御調停
プログラムの分離
マルチプログラミング
メモリ管理
ファイルシステムの提供
ネットワークシステムの提供
プログラム間の通信の提供
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ハードウェアの制御調停
2 つのアプリケーションが 1 つのハードウェアを直接制御すると衝
突が発生する．
OS が調停
アプリケーションに直接ハードウェアを制御させない
すべて OS 経由でハードウェアを制御
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プログラムの分離
複数のプログラムの動作を分離
プログラム毎にメモリ空間を提供
メモリ空間を保護
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マルチプログラミング
1 つの CPU で同時に複数のプログラムを仮想的に動作させる
走らせるプログラムの数は CPU コア数に制限されるわけではない
CPU 時間をプログラムに割り当てる
スケジューリング
優先制御
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メモリ管理
プログラムが必要とするメモリを管理
不要なメモリを回収し必要とするプログラムに割り当てる
仮想記憶の提供
利用頻度の少ないメモリは外部記憶に追い出す
必要な時に外部記憶から読み込む
プログラムは気にしなくて良い (比較: プログラムオーバーレイ)
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ファイルシステムの提供
ディスクなどを複数のアプリケーションで共有
ディスク上にファイルシステムを構成
効率が良いようにバッファリング
ファイルシステムの種類
FAT (Fast Allocation Table)
NTFS (NT File System)
HFS (Hierarchical File System)
UFS (UNIX File System)
LFS (Log File System)
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ネットワークシステムの提供
ネットワークパケットの処理
プログラムからネットワークに送る
ネットワークから受け取りプログラムに渡す
TCP/IP 制御
フラグメンテーション
再送
順序に並び替え
ウインドウ制御
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プログラム間の通信の提供
プログラム間のデータの受け渡しの仲介
パイプ
共有メモリ
セマフォ
ロック
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18 / 20
オペレーティングシステムの構造
ブートストラップ
デバイスドライバ
スケジューリング
メモリ管理
ファイル管理
プロセス管理
ネットワーク管理
システムコール処理
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まとめ
オペレーティングシステム
ハードウェアの制御調停
プログラムの分離
マルチプログラミング
メモリ管理
ファイルシステムの提供
ネットワークシステムの提供
プログラム間の通信の提供
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