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こうじいいはた
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1 オペレーティングシステム ~ 保護とシステムコール ~ 山田浩史 cc.tuat.ac.jp 2015/05/08 復習 : OS の目的 ( 今回の話題 ) 裸のコンピュータを抽象化 (abstraction) しより使いやすく安全なコンピュータとして見せること OS はハードウェアを制御しアプリケーションの効率的な動作や容易な開発を支援する OS がないと 1 つしかプログラムが動作しない複数のプログラムを動作させようとするとアプリ側でプログラムを切り替えるコードを記述する必要がある ( 超大変 ) 今回の話題 Word Thunder Chrome bird アプリケーションオペレーティングシステム Database CPU メモリ I/O デバイス ( ディスク等 ) 1

2 復習 : プロセス実行状態にあるプログラムのことプログラムの実行に必要なものをひっくるめて指すテキスト領域データ領域スタック領域 CPU のレジスタ値プログラムカウンタなど OS はプロセス単位で管理するメモリ Hard Disk CPU プロセス execute Excel load EXCEL.EXE プログラムプロセスの何がうれしいの? CPU が複数あるように見えるプロセスを切り替えながら実行していく OS の核となる部分をカーネル (kernel) と呼んだりするコンテキストスイッチをしながらプロセスを動作させるコンテキストスイッチ : 実行を別のプロセスに切り替えること物理的に存在する CPU 仮想 CPU レジスタメモリイメージ OS(kernel) Excel プロセス A レジスタ Excel プロセス B OS による抽象化 IE プロセス C 2

3 AGENDA OS の保護実行モード特権命令システムコールスレッド (Thread) システムの保護 (protection) もしプロセスがバグって暴走 or ユーザに悪意があったら OS のデータ構造を参照変更してしまう保存されたレジスタに重要なデータ ( パスワード ) があるかも他のプロセスのレジスタ値を変更されると正しく実行できないデバイスに直接アクセスできてしまう他プロセスが保存したファイルを容易に上書きできるデバイスを変な状態のままにできちゃう OS 内の関数をむちゃくちゃ呼ぶめったやたらにコンテキストスイッチをするシステムを保護 (protection) する必要がある保護がないと自由に OS にアクセスできてしまうメモリイメージ OS プロセス A Excel プロセス B IE 3

4 Question どーやってシステムを保護するの? CPU にサポートしてもらう CPU の実行モード特権モード (Kernel(Supervisor) mode) OS カーネルを実行するためのモード特権モードでしか実行できない命令を実行できる制御レジスタへのアクセス等特権モードでしか参照変更できないメモリを参照変更できる特権メモリ : OS がある領域等割り込みが生じたら特権モードに切り替わる OS カーネルの割り込みハンドラが実行されるため非特権モード (User mode) 通常のプロセスを実行するためのモード特権命令を実行できない特権メモリにアクセスできない 4

5 実行モードを使うと OS が動作するとき : 特権モード OS 開発者のコードが動く一般人の書いたコードは動作しないプロセスが動作するとき : 非特権モード一般人の記述したコードが動くバグったコード or ウィルスが動作する可能性考え方 : OS はプロセスを信頼していない特権モードで動作非特権モードで動作メモリイメージ OS(kernel) Excel IE OS 自身の参照は O.K. プロセスから OS への参照は不可 OS のアクセスは O.K. HDD プロセスから直接 HDD へのアクセスは不可特権命令 (Privileged instructions) OS 以外に実行されては困る命令特殊なレジスタにデータを書き込む命令例 1: 割り込みベクタの先頭番地を保持するレジスタへの書き込み一般ユーザがこのレジスタ値を書き換え可能だと不正な割り込みハンドラを登録されてしまう x86 では LIDTR 例 2: プロセスが使用してよいメモリ領域を指定するレジスタへの書き込み一般ユーザがこのレジスタ値を書き換え可能だとメモリの他プロセスにアクセスできてしまう詳しくは仮想記憶の回で説明する I/O デバイスを操作するための命令 I/O ポートにアクセスする命令 x86 では IN, OUT 非特権モードで発行するとソフトウェア割り込みが生じる 5

6 I/O デバイスを使用するには非特権モードでは I/O デバイスにアクセスできない I/O デバイスへのアクセスは OS の仕事どう OS カーネルにお願いするか切り替えるための命令を用意してみよう! change_to_supervisor という CPU 命令を用意するユーザプロセスのコード /* user mode で実行中 */ /* Supervisor mode に切り替え */ change_to_supervisor /* kernel mode で実行 */ 特権命令が実行できる /* ここは kernel code ではない */ /* ここがバグってる or 悪意のあるコードだったら終わり */ システムコール (System Call) プロセスが OS に処理を依頼する窓口ライブラリのように使える OS でなければできないことを実現してくれる I/O デバイスへの処理依頼等例 : ファイルへのアクセスを行うもの open(),read(),write() などプロセスの生成終了を行うもの fork(),exec(),kill() など他にもたくさんある Linux 4.0 では 300 個以上 6

関数呼び出し ) kernel mode 割込みハンドラ fork() { open() { close() { システムコール : read() の流れ read() を呼び出すと 1. OS に制御が渡り, ディスクにリクエストを発行 2.

7 システムコール呼び出しの仕組みソフトウェア割り込みを使って呼び出す 1. 呼び出すシステムコール番号, 引数をレジスタに入れる 2. ソフトウェア割り込みを実行する 3. 割り込みハンドラが呼び出される 4. 割り込みハンドラは, システムコール番号に従って適切なコードを実行 process user mode sysenter ( ソフトウェア割込み ) レジスタにシステムコール番号引数を入れておくライブラリを呼び出すのとは違う printf() { call ( 関数呼び出し ) kernel mode 割込みハンドラ fork() { open() { close() { システムコール : read() の流れ read() を呼び出すと 1. OS に制御が渡り, ディスクにリクエストを発行 2. データが到着したら,OS がプロセスのメモリ領域にコピー 3. 制御をプロセスに返す特権モードプロセス A read() 非特権モード OS システムコールを呼び出し実行モードを切り替えるディスクからのデータを取得. プロセス A に渡すディスクにデータをリクエストプロセス B プロセス B にコンテキストスイッチ割り込み割り込みハンドラへ時間 7

8 システムコール v.s. ライブラリ関数呼び出し方が違うシステムコール : ソフトウェア割り込みライブラリ関数 : call 命令システムコールの方が呼び出しのオーバヘッドが大きいソフトウェア割り込みは数十百数十サイクルかかるほとんどの命令は 1 サイクルで実行可能 CPU を高速化するための諸機能との相性が悪いパイプラインのフラッシュなどライブラリ関数はシステムコールをうまく呼び出しているものが多い fread() などスレッド (Thread) プロセス内での並行処理を可能にするプログラムカウンタの流れを線で書いたイメージ仮想 CPU = スレッド従来のプロセスの考え方ひとつのプロセスにひとつの仮想 CPU スレッドの考え方ひとつのプロセスに複数の仮想 CPU 処理の流れを線で書くイメージプロセスプロセス普通のプロセスでは処理の流れはひとつ同一のプロセス内で処理の流れをたくさん作ることもできる 8

9 スレッドのイメージひとつのプロセスが複数の仮想 CPU を持つ仮想 CPU レジスタメモリイメージ OS(kernel) 物理的に存在する CPU thread プロセス A レジスタスタックスタック thread OS による抽象化スタック thread プロセス B スレッドとプロセスの構成要素スレッドの構成要素スタック, レジスタ,PC プロセスの構成要素最低 1 つのスレッドと, メモリ領域, プロセス制御ブロック 1 スレッドのプロセス複数スレッドのプロセス text data PCB text data PCB registers stack registers registers registers stack stack stack 9

10 スレッドの何がうれしいの? メモリを共有しながら並行処理が可能になるアプリケーションを作る上では非常に便利例 1: Web ブラウザ描画スレッド, データ受信スレッド, 入力受付スレッド,etc. スレッドではなくプロセスで作るとデータを受信したら描画プロセスに情報を伝搬しないといけない例 2: ワード描画スレッド, 入力受付スレッド,etc. スレッドではなくプロセスで作ると入力を受け付けたら描画プロセスにそれを通知しないといけないカーネルスレッドとユーザスレッドカーネルスレッド OS カーネル内に作られる OS によって管理される利点 : 1 つの thread がブロックしても他 thread は動作可能欠点 : 生成管理が遅いユーザスレッドユーザプロセス内で作られるプロセスによって管理される利点 : 生成管理が早い欠点 : 1 つの thread がブロックすると全体がブロック user mode user mode kernel mode OS はカーネルスレッド単位で CPU 時間を与える kernel mode 10

11 Linux におけるマルチスレッドプログラミングふたつのスレッド A, B を作るプログラム例 #include <pthread.h> /* */ void *threada(void *arg) { for (;;) printf( Thread A\n ); /* A */ void *threadb(void *arg) { for (;;) printf( Thread B\n ); /* B */ int main() { pthread_t a, b; /* */ /* A, B */ pthread_create(&a, NULL, threada, NULL); pthread_create(&b, NULL, threadb, NULL); /* */ pthread_join(a, NULL); pthread_join(b, NULL); pthread_join(), pthread_create() スレッドを作る関数 pthread_create(pthread_t *thread, pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void)) void *arg thread: 新しく作ったスレッドを表す変数へのポインタ attr: スレッドの属性を決める start_routine: スレッドが実行する関数へのポインタ arg: start_routine() に渡す引数スレッドの終了を待つ関数 pthread_join(pthread_t thread, void **thread_return) thread で指定したスレッドの終了を待つ指定したスレッドが返す値が thread_return に格納される 11

12 まとめ OS の保護スレッドについて学んだ実行モード特権命令システムコールプロセスとスレッドの違い 12

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10-vm1.ppt オペレーティングシステム ~ 仮想記憶 (1) ~ 山田浩史 hiroshiy @ cc.tuat.ac.jp 2015/06/19 OS の目的裸のコンピュータを抽象化 (abstraction) しより使いやすく安全なコンピュータとして見せること OS はハードウェアを制御しアプリケーションの効率的な動作や容易な開発を支援する OS がないとメモリをアプリケーション自身が管理しなければならない