ソフトウェア設計技術者 - OS分野のノート

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ファイル作成時間を見ると試験後っぽいので、おそらく移動したときに「書こう」って思っただけかもしれない。

OSの位置づけ

コンピュータシステムはハードウェアとソフトウェアの2つの構成要素からなる。
ソフトウェアがインストールされていないコンピュータは「ベアマシン」と呼ばれていて、それを直接使うのは不便で、効率も悪い。

オペレーティングシステム（OS）は、人と機械のギャップを埋めるためのソフトウェアで、ユーザーとコンピュータのインターフェース的な存在。

OSの位置づけは下図のとおり：

计算机系统层次结构图

図からもわかるように、OS はベアマシン上の最初のソフトで、ハードウェア機能を最初に拡張する存在。他のすべてのソフト（編集、アセンブラ、コンパイラ、DB管理など）やアプリケーションは OS の上に成り立ってる。

ユーザーから見ても、OS があれば直接ハードをいじらずに済むし、OS 経由でコマンドやサービスを使って操作できる。だから OS はユーザーとコンピュータの間の重要な橋渡し役になってる。

プロセス管理

プロセス管理（＝プロセッサ管理）は、複数のプログラムが同時に実行される環境（多重プログラミング、タイムシェアリングなど）で、各プログラムの動的な状態を「プロセス」として扱う。
プロセスは「リソースを持ち独立して動ける単位」で、同時実行や協調動作・競合の制御が必要になる。

順次実行の特徴

前順関係を示すグラフ（有向非巡回グラフ）で、ノードは処理単位、矢印は順番の関係を表す。
たとえば Pi→Pj なら「Pi が終わらないと Pj は実行できない」。

次の図では、入力→計算→出力の順番関係：

3-个结点的前趋图

順次実行の特徴は、以下の3つ：

順序性
閉鎖性（外部の影響なしに動く）
再現性（毎回同じ結果）

同時実行の特徴

多重プログラムを導入すると、プログラムは並列に実行されることになる。
前順関係のない処理は、CPU・I/O に並行して割り当てできる。

たとえば CPU、入力デバイス、出力デバイスが1つずつあるときの例：

程序并发执行

このときの特徴は以下：

閉鎖性がなくなる
実行順が固定でなくなる
プロセス間の制約が発生する（干渉・協調）

プロセス状態と状態遷移

三態モデル

基本的な3つの状態：

状態	CPU	リソース
実行	〇	〇
準備	×	〇
待機	×	×

进程的三态模型

五態モデル

現実のシステムでは「新規作成」「終了待ち」も加わる：

进程的五态模型

プロセス間通信

複数のプロセスが同時に動くと、リソースの共有や協調作業が必要になる。
このときの情報のやりとりが「プロセス間通信」。

同期（synchronization）：協調に必要な直接的な制御
排他（mutual exclusion）：リソースをめぐる間接的な制御

同期

たとえば A がバッファにデータを書いて、それを B が読む場合、A が終わらないと B は動けない。

つまり「同期」とは、協調動作を行うプロセス同士のタイミング合わせのこと。

排他

同時に1つしか使えないリソース（＝クリティカルリソース）を複数のプロセスが取り合うこと。

たとえばプリンタ、共有変数など。

クリティカルセクションの管理ルール

空いてたら入る
他が使ってたら待つ
必ず順番が回ってくる
待ち続けず、CPU を手放す

セマフォ（信号量）

Dijkstra が提唱した手法。
以下2つの型がある：

公共セマフォ（初期値 1）：排他制御
私用セマフォ（初期値 0）：同期制御

P/V操作

 1
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31
Procedure P(Var S:Semaphore);
Begin
    S := S - 1;
    If S < 0 then W(S) {待機キューに追加}
End;

Procedure V(Var S:Semaphore);
Begin
    S := S + 1;
    If S <= 0 then R(S) {待機から起こす}
End;
~~~

### 排他制御の例

```c++
if 車が通ったら then
    begin
        P(mutex)
        COUNT := COUNT + 1;
        V(mutex)
    end
GOTO L1;

begin
    P(mutex)
    PRINT COUNT;
    COUNT := 0;
    V(mutex)
end
GOTO L2;

▶ 詳しくは：【操作系统】进程间通信—互斥

同期制御の例

典型例：単一バッファの producer/consumer 問題。セマフォの値 0 → データなし、1 → データあり。

▶ 詳しくは：【操作系统】进程间通信—同步

デッドロック（死锁）

例：リソース m＝5、プロセス数 n＝3、各プロセスは k＝3 個必要 → m＜nk ならデッドロックになる可能性あり

回避条件：m ≥ n×(k-1)

デッドロックの対策

放置（見なかったフリ）
予防（4条件の破壊）
- 静的割当：最初に全部渡す（効率悪い）
- 順序割当：リソースに優先順をつける
回避：状態を常にチェック（代表：銀行家のアルゴリズム）

▶ 銀行家算法：動画リンク

スレッド

プロセスは「リソース単位」であり、「スケジューリング単位」でもあるけど、これだと切り替えコストが高くなる。そこで、「リソース＝プロセス」「スケジューリング＝スレッド」と分けた。

スレッドは「軽量プロセス」とも呼ばれて、同じプロセス内のスレッド同士はメモリ空間などを共有できる。

つまり：

スレッド切り替えは軽い
複数タスクを高速に動かせる
リソースはプロセス単位で保持される