ソフトウェア
OSは、限られたCPUと主記憶を複数のプログラムに配る係です。この単元では、その配り方（タスク管理・記憶管理）を中心に、ミドルウェア、ファイルシステム、開発ツール、オープンソースソフトウェアを扱います。
要点
オペレーティングシステム
- OSの種類と特徴
- OSはシステムソフトウェアの中心。ハードウェアの違いを隠し、アプリに共通の機能を出す。PC用・モバイル端末用・リアルタイム用などがある。
- 仕様を公開したオープンOS（UNIXなど）、強いアクセス制御を持つセキュアOS。1台の上で別のOSを動かすのが仮想マシン（VM）。
- OSの機能と構成
- 中核のカーネルには、機能を最小限に絞るマイクロカーネルと、全部を一体にしたモノリシックカーネルがある。
- 特権命令を使えるカーネルモードと制限付きのユーザモードを切り替え、割込みで外の出来事に応じる。
- 電源投入時に小さなプログラムからOSを読み込むのがブートストラップ。ネットワークから起動するネットワークブート、複数のOSから選ぶマルチブートもある。
- ジョブ管理
- 利用者から見た仕事の単位がジョブ、その中の1プログラム分がジョブステップ。ジョブスケジューラーがバッチ処理の順番を決める。
- タスクと状態遷移
- OSから見た実行の単位がタスク（プロセス）。1つのプロセスの中で並行に動く、より小さな単位がスレッド。
- 実行可能状態のタスクをディスパッチャが選んで実行状態にする。入出力を待つ間は待ち状態で、終われば実行可能に戻る。
- 多重プログラミングとスケジューリング
- CPUが入出力を待つ間に別のタスクを動かすのが多重プログラミング。実行の順番を決めるのがスケジューリング。
- OSが実行中のタスクを止めて交代させるのがプリエンプティブ方式、タスクが自分で手放すまで待つのがノンプリエンプティブ方式。
- ラウンドロビンは決まった時間（タイムクウォンタム）ごとに順番に交代するタイムスライス方式。優先順方式は優先度の高いタスクから動かす。
- データ管理
- 装置の違いを隠し、ファイル名とレコードで読み書きできるようにする。アプリは補助記憶装置の種類を意識しなくてよい。
- 入出力管理
- CPUに代わって入出力を進めるチャネルが、終わると入出力割込みでCPUに知らせる。入出力中の障害の扱いもここ。
- 実記憶管理
- 主記憶を決まった大きさに分ける固定区画方式と、要る分だけ割り当てる可変区画方式がある。
- 空きが細切れになるフラグメンテーションは、使用中の領域を詰めるコンパクションで解消する。使われなくなった領域を回収するのがガベージコレクション。
- 動いていないプログラムを補助記憶へ追い出すスワップアウト、戻すスワップイン（ロールアウト・ロールイン）。必要な部分だけ順に読み込むのがオーバーレイ方式。
- 仮想記憶管理
- 補助記憶を使い、主記憶より大きなアドレス空間を見せる。仮想アドレスを実アドレスに直すのが動的アドレス変換。
- 一定の大きさで区切るページング方式、意味のまとまりで区切るセグメント方式、両方を使うセグメントページング方式。基準の番地に相対位置を足すのがベースアドレス方式。
- 使うページが主記憶に無いとページフォールト。追い出すページを、読み込みが古い順（FIFO）か、最後に使ってから最も長い順（LRU）で選ぶ（ページリプレースメント）。
- 主記憶が足りず、置換えばかりで処理が進まなくなるのがスラッシング。
- ネットワーク制御
- 通信プロトコルに従った送受信を受け持ち、アプリにはTCP/IPなどの通信の窓口を出す。相手がLANでもWANでも同じ手順で使える。
- 運用の管理
- 起動時の初期化、終了処理、稼働状況の監視など、運用を楽にする機能。利用者ごとの設定がプロファイル、使える範囲を決めるのがファイルアクセス権。
- ユーザー管理
- 全権限を持つスーパーユーザ（UNIXのroot、WindowsのAdministrator）と、権限を絞った一般・ゲストのアカウントを分ける。
- 多数のアカウントをディレクトリサービスでまとめて管理する。その問い合わせの手順がLDAP。
- セキュリティ制御
- アクセス制御・暗号化・侵入の検出を受け持つ。ロギング機能やオーディット機能で操作を記録し、誰が何をしたか説明できるようにする（アカウンタビリティ）。
- 障害管理
- ハードウェア障害・ソフトウェア障害を検出し、診断・記録・壊れた部分の切り離し（再構成）・リスタートで回復する。
ミドルウェア
- ミドルウェアの役割と機能
- OSとアプリの間で、多くのアプリが使う共通の機能を受け持つ。DBMS、TPモニタ、通信管理システム、運用管理ツールなど。
- シェル
- 利用者のコマンドを解釈して、カーネルの機能を呼び出すコマンドインタプリタ。
- API
- アプリからOSやミドルウェアの機能を呼び出すための、決められた窓口。中身を知らなくても関数のように使える。
- ライブラリ
- ソースのまま置くソースライブラリ、翻訳済みのオブジェクトライブラリ、すぐ実行できるロードライブラリがある。
- 実行時につなぐのがDLL。クラスをまとめて再利用できるようにしたのがクラスライブラリ。
- コンポーネントウェア
- 機能を独立した部品（コンポーネント）にして組み合わせて作る。部品の決まりにJava Beans・CORBA・OSGiがある。
- 開発フレームワーク
- アプリの骨組みを先に用意した、クラスやライブラリの集まり。開発者は決まった場所に処理を書き足す。
ファイルシステム
- ディレクトリ管理とファイル管理
- ファイルはルートディレクトリから木構造で並ぶ。ルートからたどるのが絶対パス、カレントディレクトリからたどるのが相対パス。
- 別の場所のファイルを指すシンボリックリンク（ショートカット・エイリアス）。読み書きの可否はアクセス権で決める。
- ファイルシステムの種類と特徴
- 補助記憶の領域（ボリューム）を、ファイルとフォルダとして使えるようにする。OSごとにFATやNTFSなどの方式がある。
- ファイル編成とアクセス手法
- 先頭から順に読む順次アクセス、キーで目的のレコードを読む直接アクセス、両方を使い分ける動的アクセス。
- 索引順編成では、決まった場所に入りきらない追加レコードをあふれ域に置く。
- バックアップ
- 全部を写すフルバックアップ、直前のフル以降の変更分の差分バックアップ、直前のバックアップ以降の変更分の増分バックアップ。
- 復元には、差分ならフル＋最新の差分1つ、増分ならフル＋それ以降の増分すべてが要る。同時に複数の媒体へ取るのが多重バックアップ。
開発ツール
- 開発ツールの種類と特徴
- 設計・作成・テストを1つの画面にまとめたのがIDE（統合開発環境）。複数のツールを順につないで使うのがツールチェーン。
- 少ないコードで作るローコードツール、コードを書かないノーコードツールは、利用者自身が作るEUD・EUCを助ける。
- 組込み開発ではCPUの代わりに挿して動きを調べるICEや、別の機械をまねるエミュレータを使う。
- テストでは、実行の跡を記録するトレーサー、変数の中身を見るインスペクター、条件を満たすか調べるアサーションチェッカを使う。
- 言語処理ツールの種類と特徴
- コンパイラは原始プログラムをまとめて目的プログラムに翻訳し、インタプリタは1命令ずつ解釈して実行する。
- リンカが目的プログラムとライブラリをつないでロードモジュールを作り、ローダが主記憶に読み込む。
- 別の機械向けに翻訳するクロスコンパイラ、実行中に翻訳する実行時コンパイラ、翻訳前に書き換えるプリプロセッサ。アセンブリ言語はアセンブラで翻訳する。
オープンソースソフトウェア
- OSSの種類と特徴
- ソースコードを公開し、利用・改変・再配布を認めるのがOSS。Linux・Apache・MySQL・PHPの組み合わせがLAMP（PostgreSQLならLAPP）。
- 改変したものも同じ条件で公開させるのがコピーレフトで、代表がGPL。BSDLやApacheライセンスは改変物を非公開にしてもよい。
- ファイル単位で公開を求めるのがMPL。2つのライセンスから選ばせるのがデュアルライセンス。
- UNIX系OS
- Linuxのほか、FreeBSD・NetBSD・OpenBSDなどのBSD系がある。UNIXの名前と仕様はThe Open Groupが管理する。
- オープンソースコミュニティ
- 世界中の開発者がインターネット上で協力し、不具合の報告・修正・機能の追加を公開の場で進める。
- OSSの利用・活用と考慮点
- 無償でも保証はない。ライセンスの条件（公開の義務など）、サポートの費用、問題が起きたときの対処、安全性・信頼性を利用者が考える。
さわって確かめる
記憶管理とタスク管理を、次の3つで動かします。結果の欄には途中の様子も出ます。
1. ページ置換え（FIFO と LRU）
参照列「1 2 3 4 1 2 5 1 2 3 4 5」で、ページ枠を3から4に増やすと、FIFOのページフォールトが増えることを確かめよう。
2. タスクの状態遷移
「生成」→「ディスパッチ」→「入出力を要求」→「入出力が完了」と押して、タスクがどの状態を通るか確かめよう。
これまでの動き
3. ラウンドロビンのスケジューリング
処理時間 A＝8、B＝2、C＝3、タイムクウォンタム2で、短いBが終わる時刻を、到着順に実行した場合と比べよう。
単位はミリ秒。A・B・Cは時刻0にこの順で並んでいるとし、切り替えにかかる時間は0とする。
3問チェック
最初に選んだ答えで採点します。全問正解で、この単元に「済み」の印が付きます。
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ページ枠が3つで、最初は空とする。ページを 1 2 3 1 4 1 2 5 1 2 の順に参照したとき、LRU方式でのページフォールトは何回か（最初の読み込みも数える）。
- 5回
- 6回
- 7回
- 10回
答えと解説
正解はイ。1・2・3で3回。次の1は当たり。4で最後に使ってから最も長い2を追い出し（4回目）、1は当たり。2で3を追い出し（5回目）、5で4を追い出す（6回目）。残りの1と2は当たり。7回はFIFOで数えた値で、FIFOは4のときに1を追い出すため、直後の1でもう一度フォールトが起きる。
-
処理時間がA＝4ミリ秒、B＝6ミリ秒、C＝3ミリ秒のタスクが、時刻0にA・B・Cの順で並んでいる。タイムクウォンタム2ミリ秒のラウンドロビンで実行すると、Cが終わるのは時刻何ミリ秒か。切り替えの時間は0とする。
- 6ミリ秒
- 9ミリ秒
- 11ミリ秒
- 13ミリ秒
答えと解説
正解はウ。A(0〜2)、B(2〜4)、C(4〜6)、A(6〜8でAが終わる)、B(8〜10)、C(10〜11でCが終わる)、B(11〜13)。6ミリ秒はCが最初の2ミリ秒を終えた時刻で、まだ1ミリ秒残っている。13ミリ秒は到着順にA・B・Cを最後まで実行したときのCの終了時刻。
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日曜の夜にフルバックアップを取り、月曜から毎晩、増分バックアップを取っている。木曜の昼にディスクが壊れた。水曜の夜の状態に戻すのに必要なバックアップはどれか。
- 日曜のフルバックアップだけ
- 日曜のフルと、水曜の増分
- 日曜のフルと、月曜・火曜・水曜の増分
- 月曜・火曜・水曜の増分だけ
答えと解説
正解はウ。増分バックアップは「前回のバックアップから変わった分」だけなので、フルの上に月・火・水の増分を順に重ねる。イは差分バックアップ（フル以降の変更分をまとめて持つ）のときの答え。エは土台になるフルが無いので戻せない。