Operating System 5 - CPS Lab...Operating System 5 岩井将行 5/12 1 第1回 •...

Operating SystemOperating System55

岩井将行岩井将行

5/12

1

第1回第1回

ドウ• ハードウエアとOS• CPUとデバイス、割り込み、記憶装置、ハードCPUとデバイス、割り込み、記憶装置、ハド

ディスク装置、RAID、パリティ

ドとプセメリド空間• スレッドとプロセス、メモリアドレス空間、ファイルシステム、NIC、ソケット、カーネル

2

第2回第2回

• CUI• タイピングログインコマンド操作マニュアタイピング，ログイン，コマンド操作，マニュア

ル, シェル

フイル操作デタ• ファイル操作，エディタ

3

第3回第3回

プジブ• プロセス，ジョブ

• プロセス管理時分割処理とプロセス切り替プロセス管理、時分割処理とプロセス切り替え、スケジューリング、プロセス表

4

第4回第4回

憶装• 記憶装置

• メモリ階層キャッシュアドレス空間物理アメモリ階層、キャッシュ、アドレス空間、物理アドレスと論理アドレス、ページング、チェックポインティング効率的な自動メモリ管理 GCインティング、効率的な自動メモリ管理、GC、フラッシュメモリ

5

第5回第5回

権• シェルとアクセス権

• 標準入出力フィルタコマンドシェルスクリプ標準入出力、フィルタコマンド、シェルスクリプト、ファイルのバックアップ、アクセス権、ドライブディレクトリファイル open/read/writeブ、ディレクトリ、ファイル、open/read/write

• ファイルのメモリへのマッピング、アクセス制御、権限、

6

第6回第6回

ネ• ネットワークとOS• ethernet,ping,socket,tcp/udp,rpc,apach,http,sethernet,ping,socket,tcp/udp,rpc,apach,http,ssh,ftp,remotewindow

新の事情• 新のOS事情

7

第7回第7回

試験• 試験

8

前回の復習

9

２回目のこり２回目のこり

ドウ• ハードウエアとOS• CPUとデバイス、割り込み、記憶装置、ハードCPUとデバイス、割り込み、記憶装置、ハド

ディスク装置、RAID、パリティ

ドとプセメリド空間• スレッドとプロセス、メモリアドレス空間、ファイルシステム、NIC、ソケット、カーネル

10

第3回第3回

プジブ• プロセス，ジョブ

• プロセス管理時分割処理とプロセス切り替プロセス管理、時分割処理とプロセス切り替え、スケジューリング、プロセス表

11

プロセスの状態プロセスの状態

「実行能なプ• 「実行可能なプロセス」とは?• プロセスの状態プロセスの状態

実行中?yes no

実行中?

実行CPUが空き次第実行できる？

noyes

実行可能待ち

12

プロセスの状態プロセスの状態

実行状態（）• 実行状態（running）– プロセスを実行している状態

– リソースは，そのプロセスのために確保されている

• 実行可能状態（ready）実行可能状態（ready）– 実行できるが、CPUリソースが確保できていない状態

CPUリソスを確保した時点で実行開始される– CPUリソースを確保した時点で実行開始される

• 待ち状態（wait）– CPU以外のリソースも確保できていない状態

– 入力待ちなどもこれに含まれる待含

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状態遷移

実行能 CPUリソースが実行可能（ready）

CPUリソスが割り当てられた（順番がまわってきた）

CPU以外のリソースを獲得orスパバイザル終了スーパバイザコール終了

待ち実行

割込み

待ち（wait）

実行（running）

スーパバイザコールスパバイザコルorCPU以外のリソース喪失 14

オペレーティングシステムオペレティングシステム第４回第回

メモリとメモリ管理メモリとメモリ管理

15

RAM(Random Access Memory)RAM(Random Access Memory)

通電中もデタを読書き能• RAMは、通電中でもデータを読み書き可能で、

電源を切ると記憶内容が失われる揮発性の電源を切る記憶内容失われる揮発性半導体メモリー

• SRAM(Static RAM;スタティックラム)• DRAM(Dynamic RAM;ダイナミックラム)

16

SRAMSRAM• SRAMはフィリップフロップ回路で構成された利用

した半導体メモリーで DRAMはコンデンサーをした半導体メモリで、DRAMはコンデンサを利用した半導体メモリー。

• フリップフロップ回路は、自己保持回路ともいわれる。論理回路で構成される。コンデンサーは電れる。論理回路で構成される。コンデンサは電気を蓄えておく部品のことである。

• SRAMは、フィリップフロップ回路で構成され、DRAMはコンデンサーで構成されるということを覚えて欲しい。

17

SRAMSRAM

論理回路ではなくンデンサ(キパシタとも• DRAM 論理回路ではなく、コンデンサ(キャパシタとも言われる)の充電状態を使用した記憶方式

SRAMはDRAMと比較した場合コンデンサの自然放• SRAMはDRAMと比較した場合、コンデンサの自然放電によるデータ消失を防ぐための定期的なリフレッシュ動作（再書き込み）を与える必要がないシュ動作（再書き込み）を与える必要がない。

– 記憶領域へのシンプルかつ高速なアクセスが可能である。ただし、1bitあたりのトランジスタ数やその配線がDRAMと比べ複雑になるため、bitあたりのコストは高くなる。

• 比較的小容量であっても高速性が求められる揮発性領域( のレジスタやキシメリ)RAM領域(CPUのレジスタや、キャッシュメモリ)

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DRAM• Dynamic Random Access Memory• リフレッシュ（記憶保持動作）を必要とするダイナミックメモリ

• キャパシタ（コンデンサ）に電荷を蓄えることにより情報を記憶し、電源供給が無くなると記憶情報も失われる揮発性メモリリ

– 長期記録の用途には向かず、情報処理過程の一時的な作業記憶の用途に用いられる。用途に用いられる。

• DDR3‐SDRAM– Double‐Data‐Rate3 Synchronous Dynamic Random Access Memoryy y y– DDRでの同期クロックを4倍に高めそれぞれの立ち上がりと立ち下り

時にデータ入出力を確定するのでSDRに比べて8倍のデータ転送速度となる度となる。

– 動作周波数は800MHz、1066MHz、1333MHzの3種類

– ノート向け• S.O. DIMM(small outline dual in‐line memory module)• http://buffalo.jp/products/connect/ddr3_sdram‐so/ 19

DARMとSRAMDARMとSRAM

記憶容量

アクセス速度

リフレッシュ

価格用途回路

DRAM 大きい遅い必要安い主記憶コンデンサー

S 小さい速い不要高いキャッシメ

フィリップフロッSRAM 小さい速い不要高いシュメモリ

フィリップフロップ

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メモリ実効速度メモリ実効速度• 実効速度＝（キャッシュメモリの速度×ヒット率）＋

（主記憶の速度×（１－ヒット率））

• ヒット率は、CPUが必要とするデータがキャッシュメモリー上に存在する確率

• NFPは、CPUが必要とするデータがキャッシュメモNFPは、CPUが必要とするデタがキャッシュメモリー上に存在しない確率である。

• ヒット率＋NFP(not found probability)＝1• ヒット率＋NFP(not found probability)＝1

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メモリ実効速度問題メモリ実効速度問題• あるプロセッサが主記憶装置及びキャッシュ

ぞメモリにアクセスするとき,それぞれのアクセス時間は60ナノ秒及び10ナノ秒である。アクセ

スするデータがキャッシュメモリに存在する確率が80%の場合このプロセッサの平均アクセ率が80%の場合,このプロセッサの平均アクセス時間は何ナノ秒か。

• 10ns*0.8+60ns*(1‐0.8)=8ns+12ns=20ns

22

メモリ管理メモリ管理

23

メモリ管理メモリ管理

ネジ• メモリ・マネージャ

– メモリのどの部分が使用中でどの部分がフリーメモリのどの部分が使用中でどの部分がフリか

– プロセスが要求するメモリを割り当て使用後に– プロセスが要求するメモリを割り当て、使用後に解放

メインメモリとディスク間のスワッピングの管理– メインメモリとディスク間のスワッピングの管理

• メモリ管理システム

– スワッピング・ページングを使用しない方式

– スワッピング・ページングを使用する方式スワッピングペジングを使用する方式

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スワッピング・ページングなし（マルチプログラミング）

• 再配置（relocationの問題）

バイナリファイル

１００番地

0番地

メモリに配置 100K+100番地

• 保護（protection）の問題

0番地

0

100K

保護（protection）の問題

ユーザ２のプログラム

ユーザ１のプログラムアクセス

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再配置と保護の問題の解決策再配置と保護の問題の解決策

ベジタジタを使• ベースレジスタとリミットレジスタを使用

– プログラムロード時にパーティションの先頭がプグラムド時にパティションの先頭がベースレジスタへ、パーティションの終わりがリミットレジスタへセットされるッジタッされる

300Kリミットレジスタ

100K

リ

ベスレジスタ

CALL １００ 100 + 100K（ベースレジスタの値）に自動的に変換し、かつ、

100Kベースレジスタリミットレジスタもチェック

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スワッピングスワッピング

プ全体を時的デ避• プロセス全体を一時的にディスクに退避

例例

B B B B

C C C C C

A A A

B B B B EA A A D D DOS OS OS OS OS OS OS

Aがスワップアウト時間27

スワップ領域の割り当てスワップ領域の割り当て

プ領域• スワップ領域

– メインメモリに入りきらないものを退避させるためメインメモリに入りきらないものを退避させるための、ディスク上の領域

• スワップ領域割り当てのアルゴリズム• スワップ領域割り当てのアルゴリズム

– メインメモリ管理と同様のアルゴリズム

プご割• スワップアウトごとに割り当てる

– 〃と異なるアルゴリズム

• プロセス生成時に割り当てる

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仮想記憶（Virtual Memory）仮想記憶（Virtual Memory）

プグズズ• プログラムサイズ＞メインメモリサイズ

– オーバーレイ（overlay）というプログラム細分化オイ（ y）うグラ細分化

• overlay0を初に実行し、終了すると、次のoverlayを呼び出す

• 細分化するのはプログラマの仕事

• 仮想記憶の登場仮想記憶の登場

– プログラムサイズがメモリサイズを超えても構わないという点が発想の基本ないという点が発想の基本

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ページングページング

仮想ド仮想ド空• 仮想アドレス、仮想アドレス空間

– プログラムから見えるアドレスおよびアドレス空間グラら見えるアおよびア空間

• MMU（メモリ管理ユニット：Memory Management Unit）Management Unit）– 仮想アドレスと物理メモリ・アドレスとのマッピング

をうプを行うチップ

CPU

MMUメモリディスク・

コントローラ仮想アドレス

物理アドレスバス30

MMUの動作MMUの動作

• ページとページ・フレームのマップを示すページ表から物理アドレスを提供する

0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 仮想アドレス

010 10

プレゼント/アブセント・ビット（マップされているか否か）

ページ番号オフセット

010 1001 1110 1

012 110

000 1100 0

34

1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 物理アドレス31

ページフォールト（page fault）ページフォールト（page fault）

• ページ・フレームにマップされていないページをアクセスしようとすること

– CPUはOSにトラップをかける

OSはあるアルゴリズムに従って選んだページ・フ– OSはあるアルゴリズムに従って選んだページ・フレームをスワップアウト（ディスクに退避）する

ペジフルトを起こしたペジの内容を退避– ページ・フォールトを起こしたページの内容を退避させたページ・フレーム部にロードする

32

ページ表（page table）ページ表（page table）

• 目的は、仮想ページをページ・フレームにマッピングすること

• 問題点

ペジ表が極端に大きくなる– ページ表が極端に大きくなる

• ページサイズ４K、32ビット・アドレス空間の場合、100万ペジ万ページ

• ページ表はプロセスごとに保持

ピングは高速である必要がある– マッピングは高速である必要がある

• 1命令に数回のメモリアクセスが必要な場合もある

• 改良案として、マルチレベルページ表33

ページ表エントリページ表エントリ

• ページ・フレーム番号

ページ・フレーム番号

プレゼント/アブセント保護修正参照キャッシング抑制

ジフレム番号• プレゼント/アブセント・ビット

– 1: 物理メモリ上にある、0: 物理メモリ上にない

• 保護ビット– 読み取り、書き込み、実行のアクセス権限を示す

• 修正ビット– ページが編集されると、1

参照ビト• 参照ビット– ページが参照されると、1

キャッシング抑制ビット• キャッシング抑制ビット– デバイス・レジスタにマップされているページ用 34

ページ置換アルゴリズムページ置換アルゴリズム

ジ生時物• ページフォルト発生時、OSは物理メモリから削除するページを選択しなければならない

– 削除するページが編集されていれば、ディスクに書き戻す書き戻す

• 適ページ置換アルゴリズム

– もっとも次の参照までの時間が長いものを選択する

– 実現不可能

• 現実的かつ有用なアルゴリズムが必要現実的かつ有用なアルゴリズムが必要

35

LRU今 LRU今後アク

（未知）

時間的局所性セスされ

時間的局所性に基づく考え方

る確率

• アクセス確率の低いページを選びたい

過去のアクセス間隔（既知）

アクセス確率の低いペジを選びたい• アクセス間隔の長いページを選べばよい

LRULeast Recently Used

36

LRUアルゴリズム（1/3）LRUアルゴリズム（1/3）

• LRU（Least Recent Used）

– 長い間使用されていないページは、今後も参照さ長い間使用されていないジは、今後も参照されない可能性が高い、という考えに基づく

• ページフォルト発生時も長時間参照され• ページフォルト発生時、も長時間参照されていないものを選択

• 実現可能な方法は、ハードウェア依存

• ソフトウェアでは近似解を使用ソフトウェアでは、近似解を使用

37


ビウタを• 64ビットのカウンタCを利用

– 各命令後、インクリメント各命令後、インクリン

• ページ表のエントリにCを格納できるフィールドを用意ドを用意

• ページを参照した時点で、現在のCの値をそのページエントリに格納する

• ページエントリのカウンタの値が小のもの• ページエントリのカウンタの値が小のものがLRUページ

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行を使• 行列を使用

– n×n （n: ページフレーム数）（ジ数）

例） 0123 の順番でアクセスされた場合（4×4）

0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0

例） 0123 の順番でアクセスされた場合（4×4）

0 0 0 00 0 0 0

1 0 1 10 0 0 0

1 0 0 11 1 0 1

1 0 0 01 1 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0

C=0111 C=1011 C=1101 C=1110

行の2進数とみて、小値の行の番号がLRU

39

第5回第5回



• ファイルのメモリへのマッピング、アクセス制御、権限、空き領域管理

40

復習：スレッド復習：スレッド

プ替• プロセス切り替え

– コスト高高

スレッド• スレッド

– プロセスを分割

– CPUリソースを割り当てる，さらに細かい単位

– 主記憶領域が同じのため切り替えコスト低主記憶領域が同じのため，切り替えコスト低

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復習：割込み復習：割込み

割• 割込み

– 通常のCPU演算動作とは異なる事象通常演算動作は異なる事象

• キーボード入力を受け取った

• 自動車がどこかに衝突した自動車がどこかに衝突した

• サーバからデータが送られてきた

– 割込み発生時にプロセスの切り替えが起こる– 割込み発生時にプロセスの切り替えが起こる

– TSSでは、プロセス切り替えのためにインタバルタイマが定期的に割込みを発生インターバルタイマーが定期的に割込みを発生

42

復習：割込みの種類復習：割込みの種類

内部割込み• 内部割込み– スーパバイザコール割込み

– プログラムチェック（例外）割込み

• 外部割込み入出力割込み– 入出力割込み

– タイマ割込み

マシンチク割込み– マシンチェック割込み

– リスタート割込み

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ジグ基本スケジューリングの基本

復習：プロセスの三状態

実行能 CPUリソースが実行可能（ready）



待ち実行

割込み

待ち（wait）

実行（running）


プロセスの状態遷移プロセスの状態遷移

CPUリソースが待ち行列

プロセス



CPU待ち割込み


スケジューリングスケジューリング

実行プロセスの選択• 実行プロセスの選択– CPUスケジューラが行う

– 対話型処理では，数十～数百回/s• スケジューリングアルゴリズム

– 高速かつ軽量に行う必要• オーバヘッド削減のため

• 基本– 待ち行列の先頭プロセスにCPUリソースを割り当て

• 全待ちプロセスの数に依存しない時間でスケジューリングが可能

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プロセスの中断方式プロセスの中断方式

実行プロセスの切り替えにはプロセスの• 実行プロセスの切り替えにはプロセスの中断が必要– 復習：CPU状態（PSWプロセッサステータスワード）の復習：CPU状態（PSWプロセッサステタスワド）のPCB (Process Control Block, Task Control Block)への待避

中断方式• 中断方式– プリエンプション方式

• OSがプロセスから実行権を剥奪• OSがプロセスから実行権を剥奪• UNIX, WindowsXP, MacOS X

– ノンプリエンプション方式プセがに実行権を自主的に返還

プロセス暴走時には• プロセスがOSに実行権を自主的に返還• Windows 95, MacOS 9

暴走時はシステム停止も

48

ジグ的スケジューリングの目的

スケジューリングの目的スケジューリングの目的

を効率的た• リソースを効率的に利用したい

– CPUリソースは時分割により仮想化リソは時分割より仮想化

• プロセス切り替えが多発

• 次に実行するプロセスを選択する機会も膨大次に実行するプロセスを選択する機会も膨大

– 切り替えごとにコスト（オーバヘッド）が発生

• スケジューリング次第で全体のオーバヘッドが増減• スケジューリング次第で全体のオーバヘッドが増減

• 効率の悪いスケジューリング＝全体の性能低下

• 効率のよいスケジューリングが必要

50

効率化の指標効率化の指標

応答時間• 応答時間– ある依頼した処理に対して

応答が返ってくるまでに要する時間応答が返ってくるまでに要する時間• 対話処理：レスポンスタイム

– 端末から入力した命令に対しシステムから結果を受け取るまでの時間の時間

• バッチ処理：ターンアラウンドタイム– 投入したジョブに対しシステムから結果を受け取るまでの時間

プ• スループット– ある単位時間においてシステムが処理する仕事量

プセス切り替えに必要となるオバド等は含まない• プロセス切り替えに必要となるオーバヘッド等は含まない• ユーザにとって意義のある仕事をいかにこなせるか

51

効率化の指標効率化の指標

応答時間とスルプトは• 応答時間とスループットはトレードオフになる場合も

例）– 例）• 応答時間向上を追求

対話型処理を優先的に• 対話型処理を優先的に

• TSSのクオンタムを短く

• 切り替え回数増加，切り替えオーバヘッド増加切り替え回数増加，切り替えオバッド増加

• スループット低下

• ユーザの要求やシステムの性質に応じて適切な指標・スケジューリングを用いることが重要

52

さまざまなさまざまなスケジューリング方式

ターンアラウンドタイムとレスポンスタイム

タンアラウンドタイム• ターンアラウンドタイム

• データの入力の開始から、データ出力が完全、に終了するまでの時間のこと。>レスポンスタイム>レスポンスタイム

• 応答時間ともいう。データ入力の終了から、出力が開始されるまでの時間のことである出力が開始されるまでの時間のことである。

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さまざまなスケジューリング方式さまざまなスケジューリング方式

FIFO (Fi t I Fi t O t)• FIFO (First In First Out)– 到着順スケジューリング，FCFSSPTF (Sh t t P i Ti Fi t)• SPTF (Shortest Processing Time First)– 処理時間順スケジューリング

PS (P i it S h d li )• PS (Priority Scheduling)– 優先度順スケジューリング

RR (R d R bi )• RR (Round Robin)– ラウンドロビン

MLF (M lti L l F db k)• MLF (Multi‐Level Feedback)– 多重フィードバック

55






56

FIFOFIFO

着ジグ• 到着順スケジューリング

– FCFS: First Come First Served– FIFO: First In First Out

• 常に待ち行列の先頭から処理常に待ち行列の先頭から処理

– ○単純

• プロセス選択機構も簡単になるし選択オバヘッドも小• プロセス選択機構も簡単になるし，選択オーバヘッドも小

– ○公平

追い抜き禁止• 追い抜き禁止

– ×ターンアラウンドタイムは良くない

57

FIFOの欠点FIFOの欠点• ターンアラウンドタイム

待ち行列

プロセスプロセスプロセスプロセス1s1s1s100s

103s 3s 2s 1s

• レスポンスタイム

待ち行列

プロセスプロセスプロセスプロセスプロセス100s

プロセス1s

プロセス1s

プロセス1s

103s 102s 101s 100s103s 102s 101s 100s

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スループット(throughput)スループット(throughput)

• 単位時間当たりに処理できる仕事量のことである。近では、ブロードバンドルーターの性ある。近、ンタ性能を表す指標としても用いられる。例えばブロードバンドルーターで 90Mbpsと表記されロドバンドルタで、90Mbpsと表記されていれば1秒間に90Mビット処理ができるとい

うことであるもちろんこの数値が高いほうがうことである。もちろんこの数値が高いほうがブロードバンドルーターの性能は高い

59






60

SPTFSPTF

欠点は– FIFOの欠点は，各プロセスの「重さ」を考慮していないのが原因

• 処理時間順スケジューリング

h– SPTF: Shortest Processing Time First– 待ち行列内プロセスを処理時間順でソート

– 亜種；残り処理時間順（SRTF）

61

SPTFSPTF

処時短プ処• 処理時間の短いプロセスから順に処理

– ○応答時間短；理想的○応答時間短；理想的

– ×実装不可能

• 各プロセスの処理時間を事前に知ることはできない• 各プロセスの処理時間を事前に知ることはできない

待ち行列

プロセスプロセスプロセスプロセス5s

プロセス50sプロセス20s

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SPTFの実装手法SPTFの実装手法

プロセスの処理時間を推定してスケジリング• プロセスの処理時間を推定してスケジューリング– 経験則（heuristic）から近似的に処理時間を求める

• 対話型処理のプロセス処理時間• 対話型処理のプロセス処理時間

度数数

– ほとんどのプロセスは短時間で終了– 短時間で終了しないプロセスは，なかなか終了しない

処理時間

63






64

PSPS

各プロセスに優先度を付加• 各プロセスに優先度を付加– 静的優先度：プロセス生成時に指定した優先度を使用

例）プロセスの種類ごとに優先度を規定• 例）・プロセスの種類ごとに優先度を規定リアルタイムプロセス > OS > 対話型 > バッチ

– 動的優先度：プロセス実行中に優先度を適宜変化• 例）・既実行時間に応じて優先度を変化

・入出力操作直後のプロセスの優先度を高く

– ○優先度を適切に設定できれば非常に有効

– ×高負荷時，優先度の低いプロセスがなかなか実行権を獲得できない（starvation)• 待ち時間に応じた優先度変化（aging）などで対処

65






66

RRRR• TSSで用いられる方式

CPU待ち行列

プロセスプロセスプロセス

プリエンプション

待ち行列から選択されたプロセスに微少な


– 待ち行列から選択されたプロセスに，微少なCPU利用時間（クオンタム）を割り当て

• クオンタム– クオンタム≒無限大：RR = FIFO– クオンタム＝極小：処理時間の短いプロセス有利

67





MLF (M lti L l F db k)• MLF (Multi‐Level Feedback)– 多重レベルフィードバック

68

MLFMLF• Multi‐Level Feedback

– 優先度別に待ち行列を用意

– プロセスは，クオンタムを得るごとに

CPUより優先度の低い待ち行列に移される

高


優先度度

低 69

MLFMLF

• Multi‐Level Feedback– 複数のクオンタムを必要とするようなプロセス複数クオンタを必要するような

（すなわち長い時間がかかるプロセス）は，どんどん優先度が下がってゆく，優先度下ゆく

– SPTFの良い近似になっている

70

スケジューリングアルゴリズムの実スケジュリングアルゴリズムの実行例

FIFOの例プセス処理時間 [ ] 到着時刻 [ ]プロセス処理時間 [s] 到着時刻 [s]

A 10 0B 20 2C 5 6

10s

t=2 t=6 t=10 t=30 t=35

28s=(10-2)+20

29s=4(Aに対する待ち)+20(Bに対する待ち)+5（自身の処理時間）

SPTFの例プセス処理時間 [ ] 到着時刻 [ ]

SPTF: Shortest Processing Time First

プロセス処理時間 [s] 到着時刻 [s]A 10 0B 20 2C 5 6

10s

t=2 t=6 t=10 t=15 t=35

33s=(10-2)(Aの処理待)+5(Cの処理待ち)＋20(自身の処理)

9s

RRの例プセス処理時間 [ ] 到着時刻 [ ]プロセス処理時間 [s] 到着時刻 [s]

A 10 0B 20 2C 5 6

23s 10=2*(1/1)+4*(1/2)+x*(1/3)+y*(1/2)

t=2 t=6 t=20 t=23 t=35

33s

15s ?*(1/3)=5

おるUNIXにおけるスケジュリングスケジューリング

実際体的実装例• 実際のOS (UNIX) の具体的実装例

• UNIX SystemV– Solaris– AIX– HP‐UX

• Linux 2.6

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UNIX SysVUNIX SysV

多重レベルフィドバックがベス• 多重レベルフィードバックがベース

相違点• 相違点– 実行の終わったプロセスは，同じ優先度の待ち行列

にに再登録

– スーパバイザモードで実行されるプロセスは，イザ実行されるは，そのプリエンプションの原因から優先度を決定

– ユーザモードで実行されるプロセスは，以下で決定静的優先度• 静的優先度

• 動的優先度（過去のCPUリソースの割当状況から計算）• NICE値（ユーザが指定する優先度）NICE値（ザが指定する優先度）

77

SysVのスケジューリングy高

割

0これらの

込不可

プロセスの実行中は割り込み禁止

優優先度例）ディスク入出力待ち

他のリソースを確保している可能性が高く，早く実行してやらないと他プロセスを足止めする。

128

低

78

SysVのスケジューリングy高 0 ■ ユーザモード優先度

P USER P_USER+ NICE+ P CPU

優

_

優先度

P_USER基準値 (=60)基準値 (=60)

NICEユーザ指定優先度128 ユーザ指定優先度

P_CPU動的優先度

低動的優先度

79

SysVのスケジューリングy高 0 ■ P_USER

ユーザモードプロセユザモドプロセスの基準値必ずこの値よりも優

ス｜パ

優

必ずこの値よりも優先度が低くなる

パバイザ

優先度

ザ

スーパバイザモードプロセスとの境界60

128 通常 60ユ

｜ザ

低

80

SysVのスケジューリングy高 0 ■ NICE

ユーザが指定するユザが指定する優先度ユーザは実⾏するプ

優

ユーザは実⾏するプロセスの優先度を下げることができる

優先度

げることができる（基本的には）上げ

ることはできないることはできない60

128

低

81

Linux 2 6 のスケジューリングLinux 2.6 のスケジューリングactive expired

高

CPU

優先度度

低

82

Linux 2 6 のスケジューリングLinux 2.6 のスケジューリングactive expired

高

CPU

優先度度

クオンタムが残っている：←activeへクオンタムを使い切った：クオンタを使切たexpiredへ→

低

83

Linux 2 6 のスケジューリングLinux 2.6 のスケジューリングactive expiredactiveexpired

高

CPU

優先度度

低

84

演習演習

91

演習

92

まとめ：スケジューリング方式まとめ：スケジューリング方式





93

まとめ：処理時間順まとめ：処理時間順

処時ジグ• 処理時間順スケジューリング

– 理論上，応答時間を小にできる理論，応答時間を小きる

– 実装が不可能

• 近似により処理時間順を実現

– 多重レベルフィードバック

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まとめ：プロセス優先度まとめ：プロセス優先度

静的優先度• 静的優先度

– プロセス生成時に決定成時決定

• 動的優先度

実行中に変化– 実行中に変化

• 優先度スケジューリング

優先度の低いプロセスがstarvationに陥る可能性– 優先度の低いプロセスがstarvationに陥る可能性

– aging等で解決

95

第5回第5回



• ファイルのメモリへのマッピング、アクセス制御、権限、空き領域管理

96

シェルのジョブの状態

• フォアグラウンド

– 直接端末から入出力を行える状態．

• バックグラウンド

フォアグラウンドジョブの裏で同時に実行している状態– フォアグラウンドジョブの裏で同時に実行している状態

中断• 中断

– 実行中に一時停止された状態

• 終了

97– 終了した、または終了させられた状態

バックグラウンドジョブバックグラウンドジョブ

• プロンプトの裏で実行されているジョブ– 起動時に & を付ける起動時に & を付ける

通常:% /a out が終了するまで次の

バックグラウンド:

% ./a.out a.out が終了するまで次のコマンドは実行不可

% ./a.out &% a.out の実行中も次のコマンドを

実行可能

注意:ログアウトしてもバックグラウンドジョブが残ることがあるので

98

ログアウトしてもバックグラウンドジョブが残ることがあるので､全てのバックグラウンドジョブを終了させてからログアウトする

ジョブの状態の切り替え

フォアグラウンドォグラウ

C‐cfg %ジョブ番号

C‐zfg %ジョブ番号

バックグラウンド中断

C c

bg %ジョブ番号

fg %ジョブ番号

kill –KILL %ジョブ番号kill –KILL %ジョブ番号

終了

99

ジョブ管理のコマンドキー操作ジョブ管理のコマンド、キー操作• コマンド

fg %番号中断やバックグラウンドのジョブを再開bg %番号中断状態のジョブをバックグラウンド

で再開

kill KILL %番号指定した番号のジョブを強制終了kill –KILL %番号指定した番号のジョブを強制終了jobs バックグラウンドで実行中のジョブ，

及び中断状態のジョブを表示及び中断状態のジョブを表示

fg と bg で %番号を省略すると，jobsコマンドで + がついたジョブが対象

• キー操作

グドジブを100

C‐z フォアグラウンドジョブを中断C‐c フォアグラウンドジョブを強制終了

ジョブ管理：使用例ジョブ管理使用例

• 一旦起動したプログラムをバックグラウンドに変更% ./hello

C‐z[1] + 19277 Suspended ./hello

Ctrlキーを押しながら z

% bg[1] ./hello &%

• 不要なジョブを強制終了

% jobs[1] Running ./hello[2] + Running /a out[2] + Running ./a.out[3] ‐ Running emacs% kill –KILL %2%

101

%

ファイルに関する操作ファイルに関する操作

イ関する操作• ファイルに関する操作

– アクセス権の設定

– ファイルの取りまとめ、圧縮

– ファイルの探索

– ファイル内の文字列探索

102

ファイルのアクセス権ファイルのアクセス権

ご権を指定能• ファイルごとにアクセス権を指定可能

ユーザユーザA

ユザB

見える見える

見えない

見える見える

見える

file１ file２

103

ファイルのアクセス権ファイルのアクセス権

• 各ファイルについて－ユーザのカテゴリ毎に－アクセス権を

設定可能

ユーザのカテゴリアクセス権

•読み出し権

•書き込み権

•ファイルの所有者

•同じグループ •書き込み権

•実行権

•同じグルプ

•それ以外

104

ファイルのアクセス権表示 ls ‐l

実行例

このファイルの所有者

イ所属グプ• 実行例% ls –l hello.txt

1 79999 989 M 22 19 26 h ll t t

このファイルの所属グループ

‐rw‐‐‐‐‐‐‐ 1 a79999a usr 989 May 22 19:26 hello.txt

所有者のアクセス権

同じグループのユーザのアクセス権

アクセス権の表記

r 読出し権

それ以外のユーザのアクセス権

r 読出し権w 書込み権x 実行権

- 通常ファイルデレクトリ

ファイルの種類

105

d ディレクトリ

アクセス権の変更chmod

方法• 利用方法

chmod アクセス権を変更するファイル

変更するカテゴリ所有者

変更するアクセス権読み出し権

権利の与奪＋権利を与えるu 所有者

g 同じグループの利用者o それ以外の利用者a 全ての利用者

r 読み出し権w 書き込み権x 実行権

＋権利を与える

‐ 権利を与えない

a 全ての利用者

一つ以上指定一つ以上指定どちらか一つ指定

106

アクセス権の変更chmod

• 利用例利用例– 例1) ファイルの所有者に実行権を与える

% chmod u+x hello.txt

– 例2) 同じグループのユーザーに読み出し権と書き込み権を与える

% chmod u+x hello.txt

書き込み権を与える

% chmod g+rw hello.txt

– 例3) 所有者以外の全てのアクセスを禁止

% chmod go‐rwx hello.txt

– 例4）ディレクトリ全体のアクセス権を変更

g

107

% chmod ‐R go‐rwx work

ディレクトリのアクセス権ディレクトリのアクセス権

• ファイルのアクセス権とディレクトリのファイルのアクセス権とディレクトリのアクセス権は少し意味が異なる．– 読み出し権：読み出し権：

そのディレクトリにあるファイルの名前を閲覧する権利

– 書き込み権：そのディレクトリでファイルの削除や新規作成をする権

利利

– 実行権：– 実行権：そのディレクトリに移動する権利．ただし，実行権が無ければ閲覧もファイルの

108

編集・削除・新規作成も出来ない．

アクセス権アクセス権

フイルとデレクトリのアクセス権の操作• ファイルとディレクトリのアクセス権の操作– 読み出し権

– 書き込み権

– 実行権実行権

109

ファイルのとりまとめと圧縮

• 多数のファイルを保管したり他の計算機に転送するときするとき，

一つのファイルにまとめて，圧縮（サイズを小さく）すると便利すると便利．

たくさんのファイルやディレクトリ

まとめる圧縮

ィリ

保管, 転送

110

ファイルの取りまとめと展開tar

複数をまる• 複数のファイルを一つにまとめる

– 本来はテープに保存する（tape archive）コマンド本来はテ保存する（ p ）ン

複数のフイルつのフイル複数のファイル、ディレクトリ

一つのファイル

ディレクトリ

tar ファイル

ディレクトリディレクトリディレクトリfile1file2file3

tar

111

file1 file4file2 file3 file4

ファイルの取りまとめと展開tar• 利用法

tar file1 file2 ...処理内容どれか一つ処容c 1つのファイルにまとめるt まとめられたファイルの内容表示x まとめられたファイルの展開

どれかつ

表示に関する指示v 詳細情報表示

オプション

（処理内容で表示が異なる）c の場合：まとめられる各ファイル名t の場合：まとめられたファイルの

ズサイズなどの詳細情報x の場合：展開される各ファイル名

対象の取りまとめファイル必ず指示

112

対象の取りまとめファイルf ファイル名ファイル名が ‐ の場合は標準入出力

必ず指示

ファイルのとりまとめと展開tar

• 利用例– 例1）カレントディレクトリの work と tmp ディレクトリを

test.tar というファイルにまとめる．

ファイル名の末尾を .tar としておくと tar でまとめたファイルであることが分かて便利です

% tar cf test.tar work tmp

であることが分かって便利です.

– 例２） test.tar の中身を表示（詳細情報も表示）（詳細情報も表示）

– 例３） test.tar を元の形に展開

% tar tvf test.tar例３） test.tar を元の形に展開

（展開される各ファイルも表示）

% tar xvf test.tar

113

tar でディレクトリをまとめるときの注意

• ディレクトリは相対パスで指定した方が良い% tar cvf test.tar test

– 任意の位置に展開することができる→ バックアップや他の計算機での利用が容易→ バックアップや他の計算機での利用が容易

もし絶対パスで指定した場合– もし絶対パスで指定した場合

全く同じ絶対パスにしか展開できない

% tar cvf test.tar /home/user3/k70043a/test

全く同じ絶対パスにしか展開できない｡

114

ファイルの圧縮解凍ファイルの圧縮, 解凍

縮中な部分を削• 圧縮：ファイル中の冗長な部分を削ってサイズを小さくする．

• 解凍：削られた冗長部分を補って元のファイルに戻す元のファイルに戻す．

縮ファイル

圧縮

解凍

ファイルファイル

解凍

115

ファイルの圧縮，解凍gzip

利用法圧縮• 利用法：圧縮

圧縮結果は元のフイル名の末尾にが

gzip 圧縮するファイル名

– 圧縮結果は，元のファイル名の末尾に .gz が付いたファイルに格納される．

– 例） hello.txt を圧縮する．( hello.txt.gz が作成される．)例） e o t t を圧縮する ( e o t t g が作成される )

利用法解凍

% gzip hello.txt

• 利用法：解凍

例） h ll t t を解凍する (h ll t t が作成される）

gzip ‐d 解凍するファイル名

– 例） hello.txt.gz を解凍する．(hello.txt が作成される．）

% gzip –d hello.txt.gz

116注意: 圧縮,解凍コマンド実行後，元のファイルは消える

圧縮するファイルの選択圧縮するファイルの選択

を縮する点• ファイルを圧縮する利点

– ファイルの転送が速いァイル転送速

– ディスクを有効に利用できる

• 不便な点

– 通常､使用する前に復元（解凍）が必要

通常，他の計算機に転送するファイルやしばらく利用しないフイルを圧縮する

117

しばらく利用しないファイルを圧縮する

tar と gzip を組み合わせると効果的tar と gzip を組み合わせると効果的

SRCSRC/ SRC

file1

SRC.tar SRC.tar.gz

file1

SRC file1file2file3

file2file3file4

file2 file3 file4file1 file3file4

tar cvf SRC.tar SRCSRC.tar ファイル

gzip SRC.tarSRC.tar.gzファイル

ができるができる

tar cvf ‐ SRC | gzip > SRC.tar.gz

118

tar cvf SRC | gzip > SRC.tar.gz一度に実行

取りまとめて圧縮されたファイルの復元復元SRC tar SRC tar gz

SRCSRC/file1

SRCfile1file2

SRC.tar SRC.tar.gz

file1

file1file2file3

file3file4

file2 file3 file4

tar xvf SRC.tar gzip ‐d SRC.tar.gzfile4

SRCディレクトリ以下が展開される

SRC.tarファイルができる

gzip –dc SRC.tar.gz | tar xvf ‐一度に実行

119gzip –dc ファイル名

解凍結果を標準出力に出力

ファイルの探索ファイルの探索

デが増くる• ファイルやディレクトリが増えてくると,目的のファイルがどこにあるかわからなくなっ目的ァイあるわらなくなてくる.→ 探索コマンド find→ 探索コマンド find

120

ファイルの探索find

法• 利用法

find 探索開始ディレクトリ –name 名前探索後の処理

– 探索開始ディレクトリは絶対パス,相対パスどちらで指定してもよい

find 探索開始ディレクトリ –name 名前探索後の処理

で指定してもよい.– 主な”探索後の処理”：

i t 見つかたフイルを表示‐print 見つかったファイルを表示‐exec 見つかったファイルに対して

マンドを実行コマンドを実行

121

ファイルの探索find

• 利用例– 例1） work ディレクトリ以下から proj1.f90 を

探し表探して表示

% find work –name proj1.f90 ‐print

– 例２）ホームディレクトリ以下から末尾が~であるファイルを探して削除

• コマンドには,見つかったファイル名を {} で指定する.

% find ~ ‐name '*~' –exec rm –i {} ¥;

• コマンドの末尾は”空白を一つ以上置いて” ¥;

122

文字列の探索文字列の探索

• ファイル内から特定の文字列を含む行を探して表示する.

プログラムのデバグなどに利用• プログラムのデバッグなどに利用

123

文字列の探索grep

• 利用法

grep オプション検索文字列ファイル

– 主なオプション‐i 大文字小文字を区別しない

grep オプション検索文字列ファイル

‐n 行番号も表示する

‐l 指定した文字列を含むフイルの名前だけを表示するファイルの名前だけを表示する（複数のファイルを指定した場合に利用）

‐v 指定した文字列を含まない行を表示する.v 指定した文字列を含まない行を表示する.

124

文字列の探索grep

• 利用例– 例1）ファイル test.c から total という文字列

を含む行を探索するを含む行を探索する.

% grep –i total test.c

– 例２）ファイル名の末尾が .f90 のファイルから,!を含まない行を探索する!を含まない行を探索する.

直前

% grep –v '¥!' *.f90

• ! のような特殊記号は '¥!' のように直前に￥を付け, さらにファイル名を' で囲んで指定する.

125

シェルスクリプトシェルスクリプト

連ドをイ列挙括実行• 一連のコマンドをファイルに列挙し一括して実行

– 条件分岐,繰り返しなども利用可能

• 用途：

– 何度も行う決まった処理

– 複雑な処理

バチジブとして投入する処理– バッチジョブとして投入する処理

126

シェルスクリプトシェルスクリプト

利用法• 利用法

カレントデレクトリにある場合は

スクリプトファイルのパスオプション

– カレントディレクトリにある場合は./ を忘れない.

– 引数を受け付けるかどうかは,シェルスクリプトの内容による.

– コマンドとして実行する前にchmod で実行権限を与えておく.実行権限を

% chmod u+x スクリプトファイル名

127

シェルスクリプトの例１シェルスクリプトの例１

• workディレクトリに移動し,test f90 をコンパイルして実行するtest.f90 をコンパイルして実行する.– バッチジョブのスクリプト

#!/bin/cshcd workfrt test.f90 ‐o test./test

128

シェルスクリプトの例2• 引数に指定されたファイルが存在すれば,

そのファイルで member という文字列を探索する.

– 引数は $数字で指示する.例) $1 ：１番目の引数.

– ファイルが存在するか否かの判定if (‐f ファイル名)

– メッセージの出力メッセジの出力echo メッセージ

#!/bin/cshif (‐f $1) thengrep 'member' $1grep member $1

elseecho "$1 doesn't exist."

endif

129

endif

シェルスクリプトの例3• カレントディレクトリにある,

ファイル名の末尾が .c であるファイルに対し,ファイル名の末尾にさらに .old を付ける.ファイル名の末尾にさらにを付ける

– 繰り返しはforeach 変数 ( 変数のとる値 )

から d までから end まで．

– ここでは変数のとる値として＊.c 、すなわちカレントディレクトリにある、ファイル名の末尾が .c のファイルの名前を指定している.

– 条件を満たすファイル名について順に繰り返しの中を実行する条件を満たすファイル名について,順に繰り返しの中を実行する.

– 変数の中身は ${変数}で参照.

#!/bin/cshforeach cfile ( *.c )

mv ${cfile} ${cfile}.oldecho ${cfile} ${cfile}.olddend

130

分割コンパイルの支援分割コンパイルの支援

分割パ• 分割コンパイル

– 一つのプログラムを複数のファイルに分割グラを複数ァイル分割→ 大規模なプログラムの管理が容易

– 一部のファイルに修正を施した後,再度全部をコンパイルするのは無駄再度全部をコンパイルするのは無駄.→ 修正を行ったファイルのみコンパイル

131

分割コンパイルの支援make

• ファイルの依存関係を元に必要なコンパイルだけを行う仕組み.

コンパイルのコマンドは計算機によって異なる– コンパイルのコマンドは計算機によって異なる

file1.f90 file1.of90 ‐c cc

file2.f90 file2.of90 ‐c

program

file3.c file3.occ ‐c

make• ファイルの依存関係は Makefile というファイルに

記述.

make

132

Makefileの例• FortranとC言語の混成プログラムFortranとC言語の混成プログラム.• コンパイル以外のターゲットも作成可能

例）clean: 途中でできた不要ファイルを削除– clean: 途中でできた不要ファイルを削除

– backup: 必要なファイルをまとめて圧縮

all: programprogram: file1.o file2.o file3.o

cc o program file1 o file2 o file3 occ ‐o program file1.o file2.o file3.ofile1.o: file1.f90

f90 ‐c file1.f90file2 o: file2 f90file2.o: file2.f90

f90 ‐c file2.f90file3.o: file3.c

cc ‐c file3.ccc c file3.cclean:

rm ‐f file1.o file2.o file3.o *~backup: files.tar.gz

133

p gfiles.tar.gz: file1.f90 file2.f90 file3.c

tar ‐cf ‐ file1.f90 file2.f90 file3.c | gzip > files.tar.gz

Makefileの書き方Makefileの書き方

基本形• 基本形

ターゲット: ターゲット作成に必要なファイルアクシンTAB

– ターゲット：目的

• ファイルもしくは単なる名前

アクションTAB

• ファイル,もしくは単なる名前

– ターゲット作成に必要なファイル名：

• 複数指定可

– アクション：

• ターゲットを作成するスクリプト

複数行にまたがても可• 複数行にまたがっても可

• 行の先頭は必ず TAB

134

分割コンパイルの支援make

法• 利用法

make ターゲット

– ターゲット：何を生成するか→Makefileに記述されているものを指定する

make タゲット

→Makefileに記述されているものを指定する.– 何もターゲットが指定されない場合,

ll が指定されたものとして実行されるall が指定されたものとして実行される.

135

ファイルシステムAPIとファイルシステムAPIとメモリマップドファイルリッァイ

136

ファイルシステムの役割(1)ファイルシステムの役割(1)

様な種類次憶装• 様々な種類の2次記憶装置へ,– 簡便で簡便

– 効率的で

安全で– 安全で

– 統一的な(装置によらない)

読み書き手段を提供する

137

ファイルシステムの役割(2)ファイルシステムの役割(2)

電をもわれな情報ど• 電源を切っても失われない情報の(ほとんど唯一の)格納場所)– メモリの内容は電源を切ると失われる

• プロセス間で情報を共有する自然な場所• プロセス間で情報を共有する自然な場所

– プロセス間でメモリは分離されていた

メモリメモリメモリ

ファイル138

OSがない状態での2次記憶OSがない状態での2次記憶

例ドデ• 例: ハードディスク

– 固定サイズの「ブロック」の集合(典型: 512B, 1KB)固定サイック」集合(典型 , )– ブロックのアドレス: (シリンダ, トラック, セクタ)

読み書きのインタフェス– 読み書きのインタフェース

• I/Oコマンド発行

終了通知の割り込み• 終了通知の割り込み

139

基本的な抽象化: ファイル基本的な抽象化: ファイル

• ファイル名(パス名)ややこしいアドレスではなく自由な文字列– ややこしいアドレスではなく自由な文字列

• バイト配列としてファイルの簡便な読み書き– ファイル名, オフセット記憶場所

– キャッシュを用いた効率的アクセス

• ファイルの作成，伸長空き領域確保– 空き領域確保

• ファイルの所有者，読み書き権限(来週以降)

140

API : 基本概念API : 基本概念

く• 開く(open)– 権限の検査，以後の読み書き準備権限検査，以後読み書き準備

• 逐次的な読み書き(read/write)位置あわせ頭出し• 位置あわせ(seek; 頭出し)

• メモリマップドファイル(後述)メモリマップドファイル(後述)• 閉じる(close)

openr/w seek

141

Unix APIUnix API

• int fd = open(path, access);• intm = read(fd, buf, n);int m read(fd, buf, n);• int m = write(fd, buf, n);• off_t o’ = lseek(fd, o, from);• int err = close(fd);int err = close(fd);

142

Windows APIWindows API

• HANDLE h = CreateFile(path, access, …);• BOOL ok = ReadFile(h, buf, n, &m, …);• BOOL ok = WriteFile(h buf n &m );BOOL ok = WriteFile(h, buf, n, &m, …);• DWORD o’ = SetFilePointer(h, o1, &o2, from);• BOOL ok = CloseHandle(h);

143

C言語の標準ライブラリAPI (1)C言語の標準ライブラリAPI (1)

• FILE * fp = fopen(path, mode);• size t sz’ = fread(buf, sz, n, fp);size_t sz fread(buf, sz, n, fp);• size_t sz’ = fwrite(buf, sz, n, fp);• int fseek(fp, o, from);• int c = fgetc(fp);int c = fgetc(fp); • int c’ = fputc(c, fp);

144

C言語の標準ライブラリAPI (2)C言語の標準ライブラリAPI (2)

• char * s’ = fgets(s, sz, fp); • int ok = fputs(s, fp);int ok fputs(s, fp);• fscanf(fp, “%d”, &x); /* 例 */• fprintf(fp, “%d”, x); /* 例 */• int err = fclose(fp);int err = fclose(fp);

145

open/read/write系とfopen/fread/fwrite系の関係

系シム• open/read/write系: システムコール

• fopen/fread/fwrite系: (結局はopen etc.を呼び出す)ライブラリ

– 違い1: 書式付入出力(fprintf, fscanf)など高機能なIOのサpポート

– 違い2: バッファリングを行う

• 複数回のfwriteをメモリ上に保持して一度のwriteシステムコールで書き込む

• 一度のreadシステムコールで大量に読み込んで以降の複数回のfreadに答える

146

バッファリングバッファリング

f itf itf itf itf it fwritefwrite

fwritefwrite

fwritefwritefwrite

writewrite147

お断りお断り

本授業資料の作成にあたり• 本授業資料の作成にあたり

• 慶應大学SFC IPL/ITB 岩井クラス

• 戸辺義人先生戸辺義人先生

• 田浦健次朗先生

• 降旗大介先生

• 松尾啓志先生

• 九州大学情報基盤研究開発センター

• Wikipediaなどの資料を参考にさせていただいています。

• ありがとうございます。ありがとうございます。

148

Operating System 5 - CPS Lab...Operating System 5 岩井将行 5/12 1 第1回 •...

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