[オペレーティングシステム] 02. オペレーティングシステムの構造とサービス

[システムコール動作フロー]

ユーザープログラム       Cライブラリ          カーネル
     |                    |                  |
     |-- open() 呼出 ---->|                  |
     |                    |-- レジスタに       |
     |                    |   システムコール番号 |
     |                    |   設定            |
     |                    |                  |
     |                    |-- trap命令 ------>|
     |                    |   (モード切替)     |
     |                    |                  |-- システムコール
     |                    |                  |   テーブルで
     |                    |                  |   ハンドラ検索
     |                    |                  |
     |                    |                  |-- sys_open() 実行
     |                    |                  |
     |                    |<-- 結果返却 ------|
     |<-- fd 返却 --------|   (モード復元)     |
     |                    |                  |

// POSIX APIを使用したファイルコピーの例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define BUF_SIZE 4096

int main(int argc, char *argv[]) {
    int src_fd, dst_fd;
    ssize_t bytes_read;
    char buffer[BUF_SIZE];

    // open() - ファイルシステム関連システムコール
    src_fd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (src_fd == -1) {
        perror("ソースファイルのオープンに失敗");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    dst_fd = open(argv[2], O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (dst_fd == -1) {
        perror("宛先ファイルの作成に失敗");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // read(), write() - I/O関連システムコール
    while ((bytes_read = read(src_fd, buffer, BUF_SIZE)) > 0) {
        if (write(dst_fd, buffer, bytes_read) != bytes_read) {
            perror("書き込み失敗");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }

    // close() - ファイルディスクリプタ解放システムコール
    close(src_fd);
    close(dst_fd);

    return 0;
}

[モノリシックカーネル]

+------------------------------------------+
|           ユーザープログラム                |
+------------------------------------------+
|          システムコールインターフェース       |
+------------------------------------------+
|                                          |
|  ファイルシステム | プロセス管理 | メモリ管理 |
|  ネットワーク    | デバイスドライバ | I/O管理 |
|                                          |
|      すべてカーネル空間で実行              |
+------------------------------------------+
|               ハードウェア                  |
+------------------------------------------+

例: 伝統的なUNIX、Linux

[階層型構造]

+-------------------+
| 階層 N: ユーザーUI |
+-------------------+
| 階層 N-1          |
+-------------------+
|       ...         |
+-------------------+
| 階層 1: メモリ管理 |
+-------------------+
| 階層 0: ハードウェア|
+-------------------+

各階層は下の階層のみ呼び出し可能

[マイクロカーネル構造]

ユーザー空間:
+--------+ +----------+ +---------+ +--------+
|ファイル | |デバイス   | |ネットワーク| |メモリ  |
|サーバー | |ドライバ   | |サーバー   | |サーバー |
+--------+ +----------+ +---------+ +--------+
     |          |            |          |
+------------------------------------------+
| マイクロカーネル: IPC + 基本スケジューリング + メモリ |
+------------------------------------------+
|               ハードウェア                  |
+------------------------------------------+

例: Mach, QNX, MINIX 3

[macOS/iOSのXNUカーネル]

+------------------------------------------+
|     ユーザー体験層 (Aqua/Cocoa)            |
+------------------------------------------+
|     アプリケーションフレームワーク (Core Foundation)|
+------------------------------------------+
|              カーネル環境                   |
|  +--------+  +--------+  +---------+     |
|  | Mach   |  | BSD    |  | I/O Kit |     |
|  | (IPC,  |  | (POSIX |  | (ドライ  |     |
|  | スレッド,|  |  API,  |  |  バ)    |     |
|  | VM)    |  | ネットワーク|  |         |     |
|  +--------+  +--------+  +---------+     |
+------------------------------------------+
|               ハードウェア                  |
+------------------------------------------+

// Linuxカーネルモジュールの例 (hello.c)
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Example");
MODULE_DESCRIPTION("Hello World Kernel Module");

// モジュールロード時に呼び出し
static int __init hello_init(void) {
    printk(KERN_INFO "Hello, Kernel World!\n");
    return 0;
}

// モジュールアンロード時に呼び出し
static void __exit hello_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "Goodbye, Kernel World!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

# カーネルモジュール管理コマンド
sudo insmod hello.ko    # モジュールロード
lsmod                   # ロード済みモジュール一覧
sudo rmmod hello        # モジュールアンロード
modinfo hello.ko        # モジュール情報確認

[ブートプロセス]

1. 電源 ON
      |
      v
2. BIOS/UEFI実行（ファームウェア）
   - POST（Power-On Self Test）実行
   - ハードウェア初期化
      |
      v
3. ブートローダ実行（GRUBなど）
   - ブートディスクのMBR/GPTからロード
   - カーネルイメージを選択
      |
      v
4. カーネルのロードと初期化
   - ハードウェア検出
   - ドライバ初期化
   - ルートファイルシステムのマウント
      |
      v
5. init/systemd実行（PID 1）
   - システムサービスの開始
   - ログインプロンプトの提供

# GRUB設定ファイルの例（/boot/grub/grub.cfgの一部）
menuentry 'Ubuntu' {
    set root='(hd0,gpt2)'
    linux /vmlinuz root=/dev/sda2 ro quiet splash
    initrd /initrd.img
}

menuentry 'Ubuntu (Recovery Mode)' {
    set root='(hd0,gpt2)'
    linux /vmlinuz root=/dev/sda2 ro recovery nomodeset
    initrd /initrd.img
}