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![ファイルの読み書き
• プロセスは開いたファイルを
「ファイル記述子」という数字で管理
Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 30
pi@raspberrypi ~ $ cat main.c
#include <stdio.h>
int main(int argc, char const* argv[])
{
FILE *f = fopen("hoge","w");
sleep(100);
return 0;
}
pi@raspberrypi ~ $ gcc main.c
pi@raspberrypi ~ $ ./a.out
pi@raspberrypi ~ $ ps u | grep -F a.out
pi 8405 0.0 0.0 1688 300 pts/0 S+ 05:23 0:00 ./a.out
（略）
pi@raspberrypi ~ $ ls -l /proc/8405/fd
total 0
lrwx------ 1 pi pi 64 Oct 27 05:23 0 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 pi pi 64 Oct 27 05:23 1 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 pi pi 64 Oct 27 05:23 2 -> /dev/pts/0
l-wx------ 1 pi pi 64 Oct 27 05:23 3 -> /home/pi/hoge
ファイルを開いて放置するプログラムを
書いて実行
プロセス番号を調べて/proc/<番号>/fdを見ると
開いたファイルはファイル記述子3で管理されている](https://image.slidesharecdn.com/robosyslesson5-151028065821-lva1-app6891/85/2015-5-30-320.jpg)
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ロボットシステム学2015年第5回
- 1.
- 2. 本日の内容 • UNIX, Linux –なぜロボットに重要なのか – 歴史的な背景（なんでこんな仕組みなの？） Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 2
- 3. オペレーティングシステム • 前回まではなかったもの – ハードウェアの複雑さを隠すためのソフトウェア階層 （ハードウェアをいじる人間には邪魔かもしれない） •仕事 – 抽象化 • 機械の世界から情報処理の世界へ – 資源（リソース）管理 • 次々（同時）に来る「計算機（とその周辺機器）を 使いたいという要求」をいかに捌くか Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 3
- 4. マイコン/OSの抽象化レベル • アドレスによる抽象化（マイコン） – 様々な機器のデータ読み書き口を同じアドレス空間に 配置（メモリマップドI/O） –ある番地の01を操作すると、ピンから電圧が出たり、 入出力が逆転したり • ファイルによる抽象化（OS） – マイコンだとメモリの番地を一つずつ書き換える 操作になるが、ファイルだと一連のデータを 流し込んだり取り出したりできる（ストリーム） Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 4
- 5. なんでもファイル • 機器の操作（例: ラズパイマウスを例に） –ジャイロ: /dev/ttyACM0 – モータ: /dev/rtmotor0 – 乱数発生器: /dev/random, /dev/urandom – よくよく考えてみると、機器の操作というのは データを書いてデータ読むだけで済む • その他話題 – ネットワークだけはファイル扱いされない （不可能ではなく、歴史的経緯で） – Plan 9: ネットワーク関係もファイルに Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 5
- 6. 本講義で扱うOS • Linux（Ubuntu, Raspbian） •LinuxをはじめUNIX系OSの用途は増えている – ネットワーク（サーバ, ルータ） – デスクトップ機, ノートPC のOS（Linux, OS X） – ゲーム機（FreeBSD） – タブレット機, スマートフォン（Linux, iOS） – 要は仕事がたくさんある Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 6
- 7. OSの歴史 • 昔の話から考えてみましょう – なぜOSというものがあるのか –なぜこんな仕組みなのか？ – ロボットとの親和性は？ – 話の流れ • UNIX 以前 • UNIX • UNIX の派生物 • Linux Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 7
- 8. UNIX以前 • 初期の計算機の使われ方（-1965 年） –主に科学計算や集計 – 使用者が計算機の使用時間を割り当てられて、 その時間にプログラムを計算機室に持ち込み、 プラグボードやパンチカードを持ち込む • 参考 – プラグボード – プラグボードの使用風景 – パンチカード Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 8
- 9. このころのデータの読み書き • メディア: パンチカード,紙テープ, 磁気テープ • 初期の頃のオペレーション（バッチシステム） – 1. 計算機 A でパンチカードの情報を磁気テープ上の情報に変換 – 2. 磁気テープを計算機 Bにセット – 3. 計算結果が結果が出力用磁気テープへ – 4. 磁気テープを取り外し別の計算機 Cでプリントアウト • 1 台の計算機で1つの計算しかしない – 割り込みのない（できない）マイコンのようなもの Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 9
- 10. この頃のOS • 現在のOS の要素がちらほらと –パンチカードのデータをコピーした磁気テープをロードし、 実行結果を別のテープに書き出すソフトウェア • 似たもの: Arduinoのブートローダ • この頃の課題 – 一度に一つのプログラム（ジョブ）しか走らせられない • マイコンみたいなもの – 計算機は高いので多人数で、遊び時間を少なく使いたい Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 10
- 11. マルチプログラミング • 1964年ごろ実用 • メモリをパーティション分けして複数のジョブを置き、実行 •メモリをジョブがお互いに覗かないようにする（ハードで） • この頃の計算機（IBM System/360） Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 11
- 12. タイムシェアリングへの試み • 1960年代 • マルチプログラミングをさらに発展 –プログラムを持ち込むバッチ処理から 端末による対話式へ • 主なプロジェクト – CTSS（compatible time sharing system） – MULTICS（multipexed information and computing service） • この頃の計算機（PDP-1） Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 12
- 13. UNIX（Unix） • MULTICS プロジェクトに参加していたAT&Tベル研の KenThompson らがPDP-7上で開発（1960 年代末） – 特許ドキュメント管理・作成用 – （単にゲームを動かしたかっただけという説も） • MULTI（多方向）→UNI（単方向） – MULTICSの失敗: たくさんの研究組織、研究員で右往左往 – UNIX（注意: 私の独自解釈です） • ドキュメント管理したい（＋ゲームやりたい）という明確な目標 • 3人+αで早く作りたい→シンプルに作りたい Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 13
- 14. UNIXが具現化・整理した機能 • 階層型ファイルシステム – ファイル:一連の文字列 – ディレクトリ: ファイルを整理するファイル • プロセス・タイムシェアリング – 複数の処理を同時に走らせる – 仮想記憶, プロセススケジューラ • デバイスファイル – 機器もファイル • シェル – ファイルとプロセスの連携 Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 14
- 15. オープンソースの走りとしてのUNIX • 当時AT&T はコンピュータで商売できない（独禁法） –コードを配布 – 企業、研究機関、教育機関に広まる • 1984年商売解禁 – ライセンス業を始め、クローズ化 – 「UNIX 戦争」が始まる • 配布されたUNIX から様々な亜種（UNIX系OS）が誕生 – ソースコードの流用 – 機能の再現 Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 15
- 16. UNIX系OSの系譜 • UNIX直系: 大雑把に言ってSystemV系とBSD系 – ものによって使用感が異なる – 我々がよく使うもの（ロボットの世界だとBSD系が多い） • FreeBSD, NetBSD, OpenBSD, OS X, iOS… • MINIX, Linux – UNIXのコードを含まないが動作はUNIX – MINIX（1987年〜） • UNIX がクローズ化したためタネンバウムによって教育用に開発 Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 16
- 17. Linux • 当時ヘルシンキ大学の大学生だった リーナス・トーバルズがMINIX 上で開発（1991年） –冬季に部屋に引きこもって開発 – メーリングリストで助言、協力を得ながらゼロから開発 • バザール方式 • 広まった理由 – ゼロから開発したことで制約が少ない – 協力者が多い – タイミング（PCの普及, Microsoftの影響, ライセンスの問題） Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 17
- 18. Linuxとディストリビューション • Linuxの構成 – Linuxカーネル（OS本体） –付属のソフトウェア（コマンド、パッケージシステム、GUI等） • 付属のソフトウェアをどういう構成にするかで多数の 「ディストリビューション」が派生 – 系統図 Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 18
- 19. 主なディストリビューション • 三大系統 – RedHat 系 • RedHat linux から派生しているもの。ビジネス用途でシェア – slackware 系 • 最古のディストリビューションslackware から派生 – debian 系 • Debian GNU/Linux から派生しているもの • UbuntuもRaspbianもこの系統 Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 19
- 20. Linuxでプログラムが走る仕組み • 「プロセス」を理解しましょう – マイコンとの違いは？ Oct.7, 2015 ロボットシステム学 20
- 21. プロセス • プログラム実行の一単位 • 実行中のプログラム＋OSが準備した付帯情報 –プロセスID、ユーザ、親プロセス • 普段はps(1)やtop(1)で調査 – CPUやメモリ使用量、ゴミプロセスがないか調査、等 – 一つのプロセスについて調査したければ /proc/<プロセス番号>を見る – プロセス情報もファイルで提供される。なんでもファイル Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 21
- 22. カーネルから見たプロセス • リソースを割り当てる一単位 – メモリの割り当て •プログラムが自身のプロセス外のメモリを参照しないよう保護 • 仮想アドレス空間 – CPU の利用時間（タイムシェアリング） • 優先度の高低を考慮 • 端末とのやり取りが多いものほど高頻度 ↑ロボットを動かす時に問題となる Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 22
- 23. プロセスツリー • プロセスはプロセスから生まれる – fork-execと呼ばれる仕組み •家系図（プロセスツリー）ができる – pstree(1) – initというプロセスからぶら下がる • プロセスツリーの役割 – 親子間で環境や開いているファイルを引き継ぐ Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 23
- 24. プロセスの一生 1. あるプロセスからforkして生まれる 2. 新しいプロセスIDをもらう 3.親の情報をすべて自分のメモリ空間にコピー （コピーしない場合もある） 4. （execされた場合）プログラムの部分が入れ替わる – 例（execを行うシェルスクリプト） 5. プログラム実行 6. 終了。終了ステータスを返す – 0が正常終了、1が何らかの異常 Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 24
- 25. プロセスとメモリ • プロセスは、基本的に他のプロセスが 使っているメモリの中身を見ることができない – 見ることができたら事故 •仕組み: 仮想記憶 – 問題: 右のような1列のメモリを どう複数のプロセスに割り当てる？ Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 25
- 26. 仮想記憶（ページング方式） • アドレス空間を二種類用意 – 物理アドレス空間（DRAMやその他を直接指す） –仮想アドレス空間（プロセスごとに準備） • アドレス空間を「ページ」に分割 • 仮想のページと物理ページを対応付け Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 26
- 27. 仮想記憶の導入で可能となること • lazyな物理メモリ割り当て – プログラムが割り当てのないページの番地に アクセスした時に、物理メモリのページを割り当て –割り当てのないページの番地にアクセスすることを 「ページフォルト」と言い、これが起こると割り当てが起こ る • スワップ – メモリが不足時にページ上のデータを ストレージ上のページに追い出せる（スワップアウト） – 仮想アドレスの先が物理メモリである必要がなくなる Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 27
- 28. • キャッシュの管理が簡単に – プロセスが使用していない物理メモリのページに 読み書きしたファイルのデータを記憶 •キャッシュが有効だとHDDの読み書き 回数を減らすことができる Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 28
- 29. プロセス間の通信 • 仮想記憶の仕組みから分かるように、 プロセス内の情報は直接、他から見えない • データを出し入れする口が必要 –共有メモリ • ロボットのように高速・ランダムなやりとりが必要な時に利用 – ファイルシステム （これが基本。しかしなんでファイルが通信なの？） – ソケット（前期にやりましたね？） • ただしこれはPCの外とのやりとり – シグナル • データの出し入れというより合図のやりとり Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 29
- 30. ファイルの読み書き • プロセスは開いたファイルを 「ファイル記述子」という数字で管理 Oct. 7,2015 ロボットシステム学 30 pi@raspberrypi ~ $ cat main.c #include <stdio.h> int main(int argc, char const* argv[]) { FILE *f = fopen("hoge","w"); sleep(100); return 0; } pi@raspberrypi ~ $ gcc main.c pi@raspberrypi ~ $ ./a.out pi@raspberrypi ~ $ ps u | grep -F a.out pi 8405 0.0 0.0 1688 300 pts/0 S+ 05:23 0:00 ./a.out （略） pi@raspberrypi ~ $ ls -l /proc/8405/fd total 0 lrwx------ 1 pi pi 64 Oct 27 05:23 0 -> /dev/pts/0 lrwx------ 1 pi pi 64 Oct 27 05:23 1 -> /dev/pts/0 lrwx------ 1 pi pi 64 Oct 27 05:23 2 -> /dev/pts/0 l-wx------ 1 pi pi 64 Oct 27 05:23 3 -> /home/pi/hoge ファイルを開いて放置するプログラムを 書いて実行 プロセス番号を調べて/proc/<番号>/fdを見ると 開いたファイルはファイル記述子3で管理されている
- 31. ファイル記述子0,1,2 • なにこれ？ – ファイル/dev/pts/0につながっているようだ •/dev/pts/0 – a.outを実行した画面でttyと打つと表示される Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 31 pi@raspberrypi ~ $ ls -l /proc/8405/fd total 0 lrwx------ 1 pi pi 64 Oct 27 05:23 0 -> /dev/pts/0 lrwx------ 1 pi pi 64 Oct 27 05:23 1 -> /dev/pts/0 lrwx------ 1 pi pi 64 Oct 27 05:23 2 -> /dev/pts/0 l-wx------ 1 pi pi 64 Oct 27 05:23 3 -> /home/pi/hoge pi@raspberrypi ~ $ tty /dev/pts/0
- 32. ttyって何？ • これ（テレタイプ社ASR-33） – teletype（遠隔タイプライター） •端末 – タイプライターを通信の線（電話線等）で 計算機に繋いだもの • キーボードに字を打って字を計算機に送信 • 計算機から字を受けて紙に印字 • 少し時代が進むと紙がディスプレイに（DEC VT100） – 基本機能は変わってないので引き続きTTYと表記 Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 32
- 33. 現在の端末（端末エミュレータ） • パソコンの中のソフトウェア – パソコンのモニタとキーボードを使ってタイプライターや VT100の役割を果たす –通信: TCP/IP、シリアル通信等（通信できればなんでもいい） Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 33
- 34. 結局どういうことか Oct. 7, 2015ロボットシステム学 34 • プログラムと端末エミュレータが /dev/pts/0というファイルを通じて通信 • この仕組みで複数の端末を相手 端末エミュレータ OS プログラム （シェル） /dev/pts/0 記述子 0,1,2
- 35. プロセスとプロセスの通信 • ファイル記述子とファイル記述子を結びつける Oct. 7,2015 ロボットシステム学 35 pi@raspberrypi ~ $ seq 100000000 | grep 12345 12345 112345 123450 123451 123452 ... seqというプログラム（コマンド）と grepというプログラム（コマンド）を パイプでつなぐ pi@raspberrypi ~ $ ps u USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND pi 8538 101 0.0 3224 328 pts/0 R+ 06:44 0:14 seq 100000000 pi 8539 1.4 0.1 3568 1796 pts/0 S+ 06:44 0:00 grep --color=auto 12345 （略） プロセス番号を調べて /procの下を見るとどうなるか？
- 36. • seq側の1番とgrep側の0番が「pipe」で接続されている • ファイル記述子0,1,2:標準で用意されるデータ受け渡し口 – 0番: 標準入力 – 1番: 標準出力 – 2番: 標準エラー出力 • シェル: ファイル記述子を操るのが大きな仕事の一つ Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 36
- 37. （先取り）ROSのUNIX的解釈 • ROSは後からやるので知っている人だけに • ノード（プロセス）をTCP/IPやUDPで通信させる –同じ計算機、違う計算機のノードをシームレスに接続 • ネットワーク周りはファイルに抽象化されていないので マスタでファイルに見せかけている – ROSトピック • 単にUNIXというのはソフトウェアではなく、データの 蓄積、通信方法の「標準的な考え方」になっている – 分かってない人は筋の悪いものを作ることになります。 Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 37
- 38. 本日のまとめ • OSの乗った計算機 – マイコンには無い概念 •プロセス • 仮想記憶 • ファイルシステムとファイルを通じた通信 • UNIXやLinuxはデータを流すように使う – 使いこなすのは大変だが、これで機械の制御から ウェブサービスまでの広範囲がカバーされている – 考え方に親しむことで大きなシステムを作ることができる Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 38
- 39. 次回 • UNIXが産んだもうひとつの重要なもの: オープンソースを扱います • 背景 •ライセンス・著作権 • クラウド • 組み込み、ロボットとの関係 Oct. 7, 2015 ロボットシステム学 39