OS概要
所要時間: 20分
はじめに
「OS（オペレーティングシステム）」という言葉はよく聞きますが、実際に何をしているのでしょうか？
このドキュメントでは、OSの基本的な役割と構造を理解します。
1. OSの役割
OSがないとどうなるか
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ OSがない世界 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ アプリケーションが直接ハードウェアを制御 │
│ │
│ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │
│ │ App A │ │ App B │ │ App C │ │
│ └──────┬───────┘ └──────┬───────┘ └──────┬───────┘ │
│ │ │ │ │
│ ↓ ↓ ↓ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ ハードウェア │ │
│ │ CPU メモリ ディスク ネットワーク │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 問題: │
│ ❌ 各アプリがハードウェアの詳細を知る必要がある │
│ ❌ アプリ同士がリソースを奪い合う │
│ ❌ あるアプリのバグが全体をクラッシュさせる │
│ ❌ セキュリティ境界がない │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
OSがある世界
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ OSがある世界 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │
│ │ App A │ │ App B │ │ App C │ │
│ └──────┬───────┘ └──────┬───────┘ └──────┬───────┘ │
│ │ │ │ │
│ └────────────────┬┴─────────────────┘ │
│ ↓ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ オペレーティングシステム │ │
│ │ ・リソース管理（CPU、メモリ、ディスク） │ │
│ │ ・プロセス管理 │ │
│ │ ・ファイルシステム │ │
│ │ ・ネットワーク │ │
│ │ ・セキュリティ │ │
│ └──────────────────────────┬──────────────────────────────────┘ │
│ ↓ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ ハードウェア │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 利点: │
│ ✅ アプリはハードウェアの詳細を知らなくてよい │
│ ✅ リソースを公平に分配 │
│ ✅ アプリ同士を隔離 │
│ ✅ セキュリティ境界を提供 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
OSの主要な役割
| 役割 | 説明 | 例 |
|---|---|---|
| 抽象化 | ハードウェアの複雑さを隠す | ファイルとして扱う（実際はブロックデバイス） |
| リソース管理 | CPU、メモリ、I/Oを公平に分配 | スケジューリング |
| 隔離 | プロセス間を分離 | メモリ保護 |
| セキュリティ | 権限管理、アクセス制御 | ユーザー、パーミッション |
2. カーネルとユーザー空間
二つの世界
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ カーネル空間とユーザー空間 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ ユーザー空間 │ │
│ │ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ │ │
│ │ │ bash │ │ nginx │ │ java │ │ mysql │ │ │
│ │ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ ・一般的なアプリケーションが動作 │ │
│ │ ・制限された権限 │ │
│ │ ・ハードウェアに直接アクセス不可 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ ↑↓ システムコール │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ カーネル空間 │ │
│ │ │ │
│ │ ・OSの中核部分 │ │
│ │ ・全ての権限を持つ │ │
│ │ ・ハードウェアに直接アクセス可能 │ │
│ │ ・プロセス管理、メモリ管理、ファイルシステム │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ ↓ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ ハードウェア │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
なぜ分離するのか
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 分離の理由 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 1. 安全性 │
│ ───────── │
│ ユーザー空間のアプリがバグで暴走しても、 │
│ カーネルやハードウェアは保護される │
│ │
│ 例: アプリが無限ループしても、OSは kill できる │
│ │
│ 2. セキュリティ │
│ ──────────── │
│ 一般ユーザーのアプリが他のプロセスのメモリを │
│ 読み書きできない │
│ │
│ 例: 悪意あるアプリがパスワードを盗めない │
│ │
│ 3. 安定性 │
│ ───────── │
│ 1つのアプリがクラッシュしても、 │
│ 他のアプリやOSは動き続ける │
│ │
│ 例: ブラウザがクラッシュしても、他のアプリは動く │
│ │
└──────────────────────────────────────────────────────────────── ─────┘
CPUの特権レベル（x86の場合）
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ CPUの特権レベル（Ring） │
├─────────────────────────────────────────────────────── ──────────────┤
│ │
│ ┌───────────────────────────────────────┐ │
│ │ Ring 3（ユーザーモード） │ │
│ │ ┌───────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ Ring 2（未使用） │ │ │
│ │ │ ┌───────────────────────┐ │ │ │
│ │ │ │ Ring 1（未使用） │ │ │ │
│ │ │ │ ┌───────────────┐ │ │ │ │
│ │ │ │ │ Ring 0 │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ カーネル │ │ │ │ │
│ │ │ │ └───────────────┘ │ │ │ │
│ │ │ └───────────────────────┘ │ │ │
│ │ └───────────────────────────────┘ │ │
│ └───────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ Ring 0: 最高特権（カーネルモード） │
│ - 全ての命令を実行可能 │
│ - ハードウェアに直接アクセス可能 │
│ │
│ Ring 3: 最低特権（ユーザーモード） │
│ - 制限された命令のみ │
│ - 特権操作はシステムコール経由 │
│ │
│ ※ Ring 1, 2 は通常使用されない（仮想化で使う場合あり） │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
3. システムコール
システムコールとは
ユーザー空間のアプリがカーネルの機能を呼び出すためのインターフェースです。
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ システムコールの流れ │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ユーザー空間 │
│ ┌─────────────────────────────────────── ──────────────────────┐ │
│ │ アプリケーション │ │
│ │ │ │
│ │ fd = open("/etc/passwd", O_RDONLY); ← ファイルを開きたい │ │
│ │ │ │ │
│ │ ↓ │ │
│ │ ┌─────────────────┐ │ │
│ │ │ Cライブラリ │ ← glibc の open() 関数 │ │
│ │ │ (glibc) │ │ │
│ │ └────────┬────────┘ │ │
│ └───────────┼─────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │ システムコール（ソフトウェア割り込み） │
│ ↓ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ カーネル空間 │ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────────┐ │ │
│ │ │ システムコール │ ← sys_open() カーネル関数 │ │
│ │ │ ハンドラ │ │ │
│ │ └────────┬────────┘ │ │
│ │ ↓ │ │
│ │ ┌─────────────────┐ │ │
│ │ │ ファイルシステム │ ← ext4, xfs など │ │
│ │ └────────┬────────┘ │ │
│ │ ↓ │ │
│ │ ┌─────────────────┐ │ │
│ │ │ デバイス │ ← ディスクドライバ │ │
│ │ │ ドライバ │ │ │
│ │ └─────────────────┘ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────── ──────────────────────────────────────────────────────────────┘
主要なシステムコール
| カテゴリ | システムコール | 説明 |
|---|---|---|
| プロセス | fork, exec, exit, wait | プロセス生成・終了 |
| ファイル | open, read, write, close | ファイル操作 |
| メモリ | mmap, brk, munmap | メモリ管理 |
| ネットワーク | socket, bind, listen, accept | ソケット操作 |
| その他 | ioctl, fcntl | デバイス制御など |
strace で確認
# hello world プログラムのシステムコールを追跡
$ strace echo "hello"
execve("/usr/bin/echo", ["echo", "hello"], ...) = 0
brk(NULL) = 0x55a8b8c4c000
access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT
openat(AT_FDCWD, "/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
...
write(1, "hello\n", 6) = 6 ← 出力
close(1) = 0
exit_group(0) = ?
# ファイル関連のシステムコールのみ追跡
$ strace -e openat,read,write,close cat /etc/hostname
openat(AT_FDCWD, "/etc/hostname", O_RDONLY) = 3
read(3, "myhost\n", 131072) = 7
write(1, "myhost\n", 7) = 7
close(3) = 0
4. なぜ sudo が必要なのか
特権操作の例
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ sudo が必要な理由 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 特権操作（カーネルが制限）: │
│ │
│ ❌ 一般ユーザーはできない │
│ ・1024以下のポートでlisten（例: 80, 443） │
│ ・他ユーザーのファイルを読み書き │
│ ・システム設定の変更 │
│ ・カーネルモジュールのロード │
│ ・raw ソケットの作成（ping） │
│ │
│ sudo の役割: │
│ ・一時的に root 権限を取得 │
│ ・特権操作を許可 │
│ ・監査ログに記録 │
│ │
│ 例: │
│ $ python -m http.server 80 │
│ PermissionError: [Errno 13] Permission denied │
│ │
│ $ sudo python -m http.server 80 │
│ Serving HTTP on 0.0.0.0 port 80 ... ← 成功 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
権限の仕組み
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Linux の権限モデル │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ユーザー │
│ ├── root (UID 0) ─── 全ての権限 │
│ └── 一般ユーザー ─── 制限された権限 │
│ │
│ プロセス │
│ ├── 実行ユーザーのUID/GIDを継承 │
│ └── 実効UID（EUID）で権限チェック │
│ │
│ ファイル │
│ ├── 所有者（user） │
│ ├── グループ（group） │
│ └── その他（other） │
│ └── パーミッション（rwx） │
│ │
│ 特殊ビット │
│ ├── setuid: 実行時に所有者の権限で動作 │
│ ├── setgid: 実行時にグループの権限で動作 │
│ └── sticky: 削除を所有者のみに制限 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
5. Linux カーネルの構成
モノリシックカーネル
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Linux カーネルの構造 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ Linux はモノリシックカーネル（一枚岩） │
│ ※ ただしモジュールで拡張可能 │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ カーネル │ │
│ │ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │ │
│ │ │ プロセス │ │ メモリ │ │ ファイル │ │ │
│ │ │ スケジューラ│ │ マネージャ │ │ システム │ │ │
│ │ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │ │
│ │ │ ネットワーク│ │ デバイス │ │ セキュリティ│ │ │
│ │ │ スタック │ │ ドライバ │ │ (SELinux等) │ │ │
│ │ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 利点: 高速（コンポーネント間の通信が速い） │
│ 欠点: カーネルのバグが全体に影響 │
│ │
│ 比較: │
│ ・マイクロカーネル（Minix, QNX）: 最小限、安全だが遅い │
│ ・ハイブリッド（Windows NT, macOS）: 中間的なアプローチ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
カーネルモジュール
# ロード済みモジュールの確認
$ lsmod
Module Size Used by
ext4 761856 1
mbcache 16384 1 ext4
jbd2 122880 1 ext4
...
# モジュールの情報
$ modinfo ext4
filename: /lib/modules/.../ext4.ko
description: Fourth Extended Filesystem
author: Remy Card, Stephen Tweedie, ...
license: GPL
# モジュールのロード/アンロード（要root）
$ sudo modprobe <module_name>
$ sudo rmmod <module_name>
まとめ
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 覚えておくべきポイント │
├───────────────────────────────────── ────────────────────────────────┤
│ │
│ 1. OSの役割 │
│ → 抽象化、リソース管理、隔離、セキュリティ │
│ │
│ 2. カーネル空間とユーザー空間 │
│ → 特権レベルの分離、安全性の確保 │
│ │
│ 3. システムコール │
│ → ユーザー空間からカーネルへの唯一の窓口 │
│ │
│ 4. 特権操作 │
│ → sudo が必要な理由、UID/GID の仕組み │
│ │
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次のステップ
- プロセスとスレッド -
psで見えるものの正体を理解