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システムコールのちょっと深い(!?)基本―OSとユーザプログラムの実行が見えてくる

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『Linuxシステムコール基本リファレンス』⁠技術評論社,2018)⁠前付けおよび第1章より。

システムコールsystem callは,OS(カーネル)の持つ機能にアクセスする時に使われるしくみです。LinuxなどのOS上でユーザプログラムが実行される際,さまざまなシステムコールが呼び出され,プログラムの実行が進んでいます。ユーザプログラムの観点で,OSにどのような機能があるか,OSがどのように動いているのかを知りたいと思った際,システムコールを一つ一つ見ていくことで具体的な知識を得ることができます。本記事では,そんなシステムコールのちょっと深い基本へと潜ってみましょう。

一見ほとんど何もしないプログラム。しかし,システム内部は忙しい(!?)

C言語で,終了ステータス0を返す以外は何もしないプログラムを1行にまとめてみると,たとえば,

int main(){return 0;}

のように記述できます。たったこれだけで取り立てて何も起きないように見えますが,OSから見るとプログラム(プロセス)を終了するため,標準でリンクされるC言語のスタートアップファイルcrt1.oなど)や標準Cライブラリ(libc)を経由して,exit系のシステムコールは呼び出されます。

下記の図は,Linuxでgcc(コンパイラ)を使ってコンパイルし,glibc(GNU版libc)とリンクした場合の処理の流れです。細かい部分はOS,コンパイラ,ライブラリによって異なる場合がありますが,ここでのポイントは「ユーザプログラムに直接記述しなくても,main()関数を終了すると暗黙のうちにexit系システムコールが呼び出される」ということです)⁠

図  ほとんど何もしないプログラムで,exit系システムコールが呼ばれる様子

図 ほとんど何もしないプログラムで,<code>exit</code>系システムコールが呼ばれる様子

また,画面にテキストメッセージを出力するだけの簡単なプログラムでは,画面(標準出力等)への出力はファイルアクセスの一種であるためシステムコールが必要で,この場合はwriteのシステムコールが使用されます。

※)
Linux上で実際にどんなシステムコールが呼ばれるかはstraceコマンドで調べることができます。

システムコールは長く役立つ技術知識

システムコールは各種OSの中核近くに位置し,基本部分はそうそう変わらない長く役立つ技術知識です。改めて図をよく眺めてみると,ほとんど何もしていないはずが,実際には極めて複雑な様子であるのが見てとれます。システムコールを知ると,OSのしくみがわかる,プログラム実行の本当の姿を知ることができる,といった点がイメージできるのではないでしょうか。

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