システムソフトウェア講義の概要
1. 計算機システムの復習:中央演算処理装置(CPU),プログラムの実行,主記憶
装置,補助記憶装置
2. 時分割処理:プロセス,スレッド,スケジューリング
3. スレッド間の排他制御:フラグ,セマフォ,モニタ,デッドロック
4. デバイス管理,HDDへのアクセス制御
5. 記憶管理:メモリ割り当て,ページング,セグメンテーション
6. 仮想記憶とファイルシステム
7. 演習問題
8. プログラミングシステムの概要,文法とそのクラス,字句解析と正規文法
9. 正規表現からの非決定性オートマトンの生成、決定性オートマトンへの変換
10. 字句解析用オートマトン生成ソフトウエアの実際
11. 構文解析と導出,文脈自由文法の構文解析法:LL構文解析
12. 文脈自由文法の構文解析法:LR構文解析
13. コンパイラ-コンパイラと構文解析の実際
14. 演習問題
15. 講義の総括と試験
記憶領域管理(復習)
メモリの動的確保
• プログラム動作中に,メモリ • 不要になれば返却する.
が必要になった場合,これ • 最悪と最良では空き領域を
を確保する事が出来る.
ソートしておく必要あり.
• メモリには番地がつけられ
ており,連続する番地のメモ
リ領域が必要となる.
• 可変長管理の方法
– 先頭適合
– 最悪適合
– 最良適合
フラグメンテーション(断片化)
• メモリの確保と開放を繰り返すと,要求される大き
さの連続したメモリ領域が確保できなくなる.
固定長管理
• 固定サイズのメモリ領域を単位としてメモリの割当
を行う.
• 割り当て単位が空いている限り,割り当て単位以
下の割当要求が成功する.
• 小さな断片が発生しにくい.
コンパクション
• 時間はかかるが,使用中の領域をまとめることで,
空き領域の大きさを拡げられる.Linuxではメモリ
確保に失敗した後,これが行われる.
メモリ管理ユニット
Memory Management Unit
MMU
の話
MMUを用いたページング
インデックス:論理ページ番号
エントリ:物理ページ番号
ページングによる単純なアドレス変換
• ページ番号とページ内変位を与えて,メモリにアク
セスするが,これは一つのアドレスと見える.
ページテーブルの個数
• アドレス空間が32bit の場合
– 論理アドレス空間:232
– ページサイズ:16KB=214
– ページテーブル:232÷214=218=262144個
– 1エントリ4byteなら,テーブルは220=1MB必要
• アドレス空間が64bit の場合
アドレス空間が広くても搭
載されている物理メモリ量
がそれだけなくても良い.
–
– ページサイズ:16KB=214
– ページテーブル:264÷214=250個
– 1エントリ4byteなら,テーブルは252=4096TB=4PB必
要
論理アドレス空間:264
多段ページテーブル
• ページテーブルのサイズ縮小のため
逆ページテーブル:ハッシュ関数の利用
• ページテーブルの大きさが物理アドレスの大きさ
に依存する.さらに,高速でもある.
さらなる高速化:アドレス変換キャッシュ
Translation Look aside Buffer: TLB
• 一旦,アドレス変換した
内容を,CPU内のメモリ
に保存しておく.
仮想記憶
物理メモリよりも広いメモリ空間の利
用
プロセス・スワッピング1
• 優先度の低いプロセスのメモリをHDD上のバッキ
ングストア領域に退避させ,優先させたいプロセス
に空いたメモリ領域を割り当てる.
デマンドページング
常に物理メモリに空きを作っておく
• ページアウト・デーモン
– 不要なページをバッキングストアに退避させる
• 退避優先順位決定アルゴリズム
– FIFO: 最も古いページの置き換え優先度を高くする.
– OPT:最も将来利用されないページの置き換え優先度
を高くする.(理想:未来はわからないので)
– LRU:最も長い期間使われていないページの置き換え
優先度を高くする.
FIFOとBradyの異常
• 物理ページメモリが多いほうが,ページフォールト
が多数発生することがある.(Bradyの異常)
OPTアルゴリズム
• 理想的であった場合の話.MINアルゴリズム
とも呼ばれる.
Least Recently Used: LRU(linux採用)
• 最も長い期間使われていないものを置き換える.
スラッシング(thrashing)
• ページフォールトが頻繁に発生し,処理が進
まないこと.
– ワーキングセット(プログラムが一定期間内にア
クセスするアドレスの集合)を小さくするか,
– 物理メモリをワーキングセット以上に大きくする.
問題
• Bradyの異常が発生する理由を説明しなさい
• FIFO, OPT, LRUアルゴリズムでの置き換え
結果を物理ページ数が,3,4の場合につい
て表で示しなさい.
問題の答え
• FIFOアルゴリズムでは,物理ページサイズと等しい
周期的なアクセスでページアウトが発生しやすい.し
かし,位相がずれると,ページアウトが全く発生しな
い,または多発したりする.
ファイルシステム
ファイル
• OSを終了してもデータが保持される永続的記
録
– 不揮発性の所以は装置の特性.
• データを格納する論理的な入れ物.
– 実際は不連続なセクタ毎にデータが記録される.
• ファイルの名前
– 同じ名前のファイルを同じ場所に置くことはできない
• アクセスの仕方
– シーケンシャルアクセス(順アクセス)
– ランダムアクセス(直接アクセス)
ファイルシステムの機能
• 利用者の為にファイルの名前空間を提供すること
– 単層ディレクトリ構造:名前空間が狭い
– 階層ディレクトリ構造:ディレクトリごとに名前空間が用
意されている.
名前をキーとしたファイルの検索にはハッシュが用いられ
る.
• ファイルと記憶装置の関係付けを管理すること
– 属性管理:rwx等のパーミッション,所有者,時間,サイ
ズなど
– 内容管理:セクタ単位の情報を繋ぐ方法,
– アクセス機能の提供
単層ディレクトリ
• 名前空間が狭く,人手でファイルに一意の名
前をつけにくくなる.
• ファイル数が増え,人手で目的のファイルを
探すのが困難になったりする.
• CP/Mなどの古いOSにしか見られない.
階層ディレクトリ
• 名前空間が広がる.
• ファイル名の参照法は,「絶対パス名」「相対パス
名」の2種類が利用できる.
ハッシュを用いたファイル名の管理
ファイルの属性:メタデータ
1 twada staff
1 twada staff
1 twada staff
923 5 5 2011 x
625 5 6 2011 y
490 5 6 2011 z.bz2
所 グ他
有 ル人
者ー
プ
リ 所
ン 有
ク 者
数
サ 月日 年 フ
イ
ァ
イ
ズ
ル
名
r
r
rw
サイズ,種類,アクセス権
(rwx),所有者,グループ,
ファイル作成年月日,時刻,
修正年月日,時刻,アクセス
年月日,時刻,i-node番号,
リンク数,
% ls -l
-rw-r--r--rw-r--r--rw-r--r--
グ
ル
ー
プ
%ls –l /bin/ls
-r-xr-xr-x 1 root wheel 80688 12 8 2011 /bin/ls
%ls -ld /var/log
drwxr-xr-x 46 root wheel 1564 10 21 06:33 /var/log
%ls -l /dev/tty
crw-rw-rw- 1 root wheel
2, 0 10 19 17:54 /dev/tty
ファイルはセクタの集まり:つ
なげる必要がある.
• データブロックのリンク構造 • データブロックのインデック
ス構造
シーケンシャルアクセスのみ
ランダムアクセス(直接アク
セス)可能
File Allocation Table: FAT(リンク構造)
クラスタサイズ16KB
で,FAT16なら,最大
ファイルサイズは
2^16*16*1024=1GB
このビット数に応じ
て,FAT12, FAT16,
FAT32がある.
UNIXのファイル
システム
• インデックス+リンク構造を
採用
• i-node構造体の末尾3つが
– 間接ブロック
– 2重間接ブロック
– 3重間接ブロック
になっている.
• ランダムアクセス(直接アク
セス)可能
ログ構造ファイルシステム
• ファイルへの書き出しを,その変更部分の追
記という形で実現するものが,ログ構造ファイ
ルシステムである.
• CD-RWやDVD-RW,フラッシュメモリなど書
き換え回数に制限のあるデバイスでしばしば
用いられる.
ジャーナリング・ファイルシステム
• データ操作と,その操作による変更を,「ログ
領域」(ジャーナル:日誌)に記録する.
• ファイルシステム操作中に障害が発生しても
,回復できるようにする.
• XFS, JFS, RaiserFS, など
RAID: Redundant Array of Independent Disks
•
•
•
•
•
•
複数のHDDを束ねて使う方式
RAID0: ストライピング (耐故障性なし,高速)
RAID1:ミラーリング(二重化)
RAID2:ビット単位での誤り訂正専用ドライブ
RAID3:ビット/バイト単位のパリティドライブ
RAID4:ブロック単位での専用
パリティドライブ
• RAID5:ブロック単位でのパリ
ティ分散記録
問題
• FAT32で,クラスタサイズ8KBの場合のファイ
ルの最大サイズはいくらか?
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