ソフトウェア ― OS・ミドルウェア・ファイルシステム・開発ツール・OSS

OS の役割・構成と種類

OS（Operating System）は、ハードウェアを直接操作して CPU・主記憶・入出力装置をアプリケーションに公平かつ効率よく割り当てるソフトウェアです。ソフトウェアの体系では、OS・言語プロセッサ（コンパイラやインタプリタ）・サービスプログラム（ユーティリティ）をまとめてシステムソフトウェア（基本ソフトウェア）と呼び、その上に OS とアプリケーションの中間に位置するミドルウェア、さらに応用ソフトウェアが載ります。図 6-1 で階層の位置関係を押さえてください。

カーネルとシェル、特権モード

カーネルは OS の中核で、CPU のカーネルモード（スーパーバイザーモード・特権モード）で動作し、入出力命令や割込み制御などの特権命令を実行できます。アプリケーションはユーザーモード（非特権モード）で動くため、ハードウェアに触れる処理はシステムコール（SVC 割込み）でカーネルに依頼します。この分離があるからこそ、1 つのアプリの暴走が OS 全体を巻き込みにくくなります。カーネルの構成には、すべての機能を 1 つの大きなカーネルに詰め込むモノリシックカーネル（Linux が代表）と、最小限の機能だけをカーネルに残し、ファイルシステムやデバイスドライバをユーザーモードのサーバプロセスとして動かすマイクロカーネルがあります。マイクロカーネルは信頼性・移植性に優れる一方、プロセス間通信が増えて性能面では不利です。

シェルは利用者のコマンドを解釈してプログラムを起動するコマンドインタプリタです。UNIX 系の sh（Bourne shell、BShell）・csh（CShell）・bash、Windows の cmd.exe や PowerShell が代表例で、シェル自身はカーネルではなく、カーネルの機能を呼び出す利用者インタフェースにあたります。

電源投入時には、ROM やファームウェア（BIOS / UEFI）の小さなプログラムが補助記憶からブートローダを読み込み、ブートローダがカーネルを主記憶に展開して制御を渡します。この段階的な起動をブートストラップと呼びます。ネットワーク経由で起動イメージを取得するネットワークブート、1 台に複数の OS を入れて起動時に選ぶマルチブート、組込み機器でフラッシュメモリからカーネルを読み込むフラッシュブートローダも用語として押さえておきます。

OS の機能一覧

シラバスは OS の機能を次のように分けています。頻出は太字の 3 つで、本章でも厚く扱います。

ジョブ管理

ジョブは利用者がコンピュータに依頼する仕事の単位で、コンパイル→リンク→実行のように複数のジョブステップから成ります。汎用機のジョブスケジューラーは、ジョブを読み込むリーダ、実行を開始するイニシエータ、終了処理を行うターミネータ、出力をプリンタなどに書き出すライタで構成され、マスタスケジューラーがオペレーターとの交信（メッセージ表示・指示受付）を担当します。夜間に大量のデータをまとめて処理するバッチ処理、対話処理の裏で走るバックグラウンドジョブ、UNIX で時刻指定の自動実行を行う cron は、いずれも省力化・自動運転を進めるシステム管理のためのジョブ管理機能です。ジョブを同時にいくつ走らせるか（ジョブ多重度）と一時ファイル容量の計算は、スケジューリングの節で扱います。

OS の種類

運用管理・ユーザー管理・セキュリティ制御・障害管理の用語

以下は直近 10 年で本中分類として出題されていない小分類です。用語の所在だけ確認しておけば十分で、アクセス制御や認証の中身は第 10 章（セキュリティ）で扱います。

タスク管理 ― プロセス・スレッド・状態遷移・割込み

タスク（プロセス）は、OS が CPU を割り当てる仕事の単位です。利用者から見た仕事の単位がジョブ、ジョブを構成する各段階がジョブステップで、そのジョブステップを OS の側から見たものがタスクにあたります。CPU が 1 個でも、あるタスクが入出力を待っている間に別のタスクへ CPU を渡せば装置の遊びが減ります。この考え方が多重（マルチ）プログラミングで、タスク管理はその実現部分です。

スレッド（軽量プロセス）は、プロセスが持つメモリ空間やファイル記述子を共有したまま、実行の流れだけを分けたものです。生成と切替えのコストがプロセスより小さい一方、同じ変数を複数スレッドが同時に触るため、どのスレッドから同時に呼ばれても正しく動くスレッドセーフな作りが必要になります。

タスクの 3 状態と遷移の契機

タスクは実行可能状態（CPU さえ空けばすぐ動ける）・実行状態（CPU を割り当てられて動いている）・待ち状態（入出力の完了などの事象を待っていて、CPU を渡されても動けない）の 3 状態を行き来します。CPU が 1 個なら実行状態のタスクは常に 1 つだけで、CPU を複数積むマルチ CPU構成なら CPU の数だけ実行状態のタスクが並びます。図 6-2 の矢印が、どの契機でどちらへ動くかの全体像です。

ディスパッチャと割込み

実行可能状態のタスクから次に走らせるものを選ぶのがスケジューラ、選ばれたタスクに実際に CPU を引き渡す（レジスタの内容を入れ替える）のがディスパッチャです。この切替えをコンテキストスイッチと呼び、切替えが多いほどオーバヘッドが増えます。

状態遷移の引き金はほとんどが割込みです。割込みは発生源で 2 つに分かれます。

プログラムの性質

複数のタスクが同じプログラムを同時に使えるかどうかは、プログラムの書き方で決まります。試験ではこの 4 つの区別が問われます。

• リエントラント（再入可能）: 複数のタスクが同時に実行しても正しく動く。手続き部と作業領域を分け、作業領域をタスクごとに持つ
• リユーザブル（再使用可能）: 一度実行したあと、再ロードせずにもう一度実行できる（同時実行は保証しない）
• リロケータブル（再配置可能）: 主記憶のどの番地に置いても実行できる
• リカーシブ（再帰的）: 自分自身を呼び出せる

ソースプログラム（原始プログラム）を翻訳したものが目的プログラム、それを結合したものがロードモジュールという形態の区別も、同じ小分類から出ます（詳しくはミドルウェア・開発ツールの節）。

スケジューリング方式とガントチャート計算

スケジューリングは、実行可能状態に並んだタスクのどれに CPU を渡すかを決める規則です。中分類 5 の中でも「多重プログラミングとスケジューリング」は直近 10 年で 23 問と最多で、そのうち 11 問がガントチャート（時間軸）を書けば解ける計算問題です。方式ごとの並べ方を覚えるより、同じジョブ表を 3 通りに解き比べるのが最短経路です。

図 6-3 は、到着時刻と処理時間を設定した同じ 3 つのジョブを、FCFS・SPT・ラウンドロビンで解いたガントチャートです。同じ入力でも完了順と平均が変わることを目で確認してください。

多重度と処理時間の計算

もう 1 つの計算の型が多重度です。同時に走らせるタスク（ジョブ）の数を増やすと、あるタスクが入出力をしている間に別のタスクが CPU を使えるため、全体の所要時間が短くなります。CPU は 1 個しかない点、入出力と CPU 処理は重ねられる点の 2 つを押さえて時間軸を描きます。

この手順を時間帯の表に落とすと、CPU と入出力の重なり方が一目で分かります（数値は秒）。多重度 1 では 1 件目が入出力をしている 2〜6 秒に CPU が完全に遊んでいるのに対し、多重度 2 ではその空きに 2 件目の CPU 処理（2〜4 秒）が入っています。先行する件の入出力時間に後続の件の CPU 処理を差し込めた分だけ全体が縮む、というのがこの型の骨格です。試験では条件（CPU 時間・入出力時間・件数・多重度）を変えて同じ構造が繰り返し出ます。

ジョブ管理側の頻出計算がジョブ多重度と一時ファイル容量です。実行中だけ一時ファイルを使うジョブが複数あるとき、必要な容量は同時に存在し得る一時ファイルの合計の最大値で決まります。例えば一時ファイルが 100M バイト・150M バイト・200M バイトの 3 ジョブを多重度 2 で実行するなら、どの 2 つが重なってもよいので最大の 2 つを足した 350M バイトを用意します。多重度を 3 に上げれば 450M バイト必要です。

排他制御とデッドロック

複数のタスクが 1 つの資源（共有メモリ、ファイル、1 本のシリアルバスにつながったセンサなど）を同時に使うと、読み書きが混ざって結果が壊れます。そこで「一度に 1 つのタスクしか入れない区間」を作るのが排他制御で、その区間をクリティカルセクションと呼びます。

デッドロックと獲得順序

デッドロックは、複数のタスクが互いに相手の持つ資源の解放を待ち、どちらも永久に進めなくなる状態です。発生には「相互排除」「保持と待ち」「横取り不可」「循環待ち」の 4 条件がすべて必要で、対策はこのどれかを崩すことに帰着します。試験で問われるのはほぼ循環待ちを崩す方法、すなわちすべてのタスクで資源の獲得順序をそろえることです（図 6-4）。

読解問題として、複数プロセスの資源占有順序表を示し「プロセス A と同時に実行するとデッドロックが起こり得る組合せはどれか」を問う形式も 2 回出ています（令和 2 年 10 月 問 17、令和 6 年春 問 17）。解き方は単純で、A と資源の獲得順序が逆転しているプロセスをすべて拾うだけです。順序が A と同じプロセスは、いくら同時に走っても循環を作れません。

なお、タイムアウトやロールバックはデッドロックの検出と回復の手段であって、発生させない防止・回避とは別物です。銀行家アルゴリズムのように、資源を割り当てても安全状態が保てるときだけ割り当てる方式が回避にあたります。

実記憶管理 ― 区画・フィット方式・ガーベジコレクション

実記憶管理は、主記憶（実アドレス空間）をプログラムにどう切り分けるかの話です。仮想記憶を使わず実アドレスをそのままプログラムに割り当てる方式を実アドレス方式と呼びます。多重プログラミングをするには 1 本の主記憶を複数のプログラムで分け合う必要があり、割当て方式は次のように発展しました。

外部フラグメンテーションの対策がメモリコンパクション（使用中の領域を片側に寄せ集めて空きを 1 つにまとめる）です。効果は大きい一方、移動のあいだプログラムを止める必要があります。

空き領域の選び方（フィット方式）

可変区画方式では、複数ある空き領域のどれを使うかで断片化の残り方が変わります。3 つの記憶域管理アルゴリズムの結果を図 6-5 で見比べてください。

スワッピング・オーバーレイ・ガーベジコレクション

主記憶が足りないときに使う古典的な手段が 3 つあります。

• スワッピング: 実行中でないプログラムを丸ごと補助記憶へ退避（スワップアウト／ロールアウト）し、必要になったら書き戻す（スワップイン／ロールイン）。単位はプログラム全体で、ページ単位で出し入れする仮想記憶とは粒度が違います
• オーバーレイ: 同時には使わないモジュールを同じ領域に上書きしながら実行する。分割はプログラム作成者が指定します
• ガーベジコレクション: プログラムが動的に確保したまま参照されなくなったヒープ領域を回収し、再び割当て可能にする機能

ガーベジコレクションで扱うのはヒープです。関数呼出しの戻り番地や局所変数を後入れ先出しで積むスタックは、呼出しが戻れば自動的に解放されるので回収の対象ではありません。この 2 つの役割を入れ替えた選択肢が定番の誤答です。

仮想記憶とページ置換え

仮想記憶は、実記憶より大きなアドレス空間をプログラムに見せる仕組みです。実際のデータは実記憶と補助記憶（ページファイル・スワップ領域）に分かれて置かれ、プログラムが使う仮想アドレスは参照のたびに実アドレスへ変換されます。この変換を行うハードウェアが DAT（Dynamic Address Translator：動的アドレス変換機構）で、変換表がページテーブル、直近の変換結果を覚えておいて変換を速くする専用キャッシュが TLB（Translation Lookaside Buffer）です。この節は仮想記憶管理だけで直近 10 年に 20 問出ており、多重プログラミングとスケジューリング（23 問）に次ぐ第 2 の得点源です。

ページを実記憶へ持ち込むタイミングにも名前が付いています。参照されて初めて読み込むデマンドページングが基本で、近く使われそうなページを先読みするのがプリページングです。

ページフォールトの処理手順

参照した仮想ページが実記憶に無いとページフォールト（内部割込みの一種）が起き、OS が図 6-6 の手順でページを持ち込みます。

この「③を伴うか伴わないか」が、直近 10 年で 6 回出ているページフォールト（うち計算が 4 回）の急所です。回数の大小関係も覚えておきます。ページフォールトが起きれば必ずページインが 1 回起きるので両者は等しく、ページアウトは起きないこともあるのでそれ以下になります。

ページ置換えアルゴリズム

実記憶に空きページが無いとき、どのページを追い出すかを決めるのが置換えアルゴリズムです。

参照列を追うトレース問題は、表を書けば必ず解けます。図 6-8 は実記憶 3 ページで参照列 2 → 3 → 2 → 1 → 5 → 2 → 4 を処理した結果です。

スラッシングとワーキングセット

多重度を上げすぎると 1 プログラムあたりに割り当てられる実記憶が減り、ページフォールトが多発します。CPU がページの入替えばかりに時間を使い、処理能力（スループット）が急激に落ちる現象がスラッシングです。対策は多重度を下げる（実行中のプログラム数を減らす）か、実記憶を増設することです。

ある時点でプログラムが実際に参照しているページの集合をワーキングセットと呼び、これを実記憶に収めておけばフォールトが抑えられます。多重度の上限をワーキングセットの合計から決める考え方がワーキングセットモデルです。

入出力管理とファイルシステム

入出力装置は CPU に比べて桁違いに遅いので、待たせない工夫がそのまま OS の性能になります。この小分類は直近 10 年で本中分類としての出題はありませんが、用語は科目 A の他分野や科目 B の読解でも前提知識として出てくるので、対応関係だけ押さえます。

装置とのやり取りの見せ方にも 2 通りあります。入出力装置のレジスタを主記憶の番地と同じ空間に置き、通常のメモリ操作命令で読み書きするのがメモリマップド I/O（メモリマッピング）、専用の入出力命令と入出力ポート番号で扱うのが I/O マップド I/O（入出力マッピング）です。これらを装置に依存しない形でアプリケーションに見せる制御システムが IOCS（Input/Output Control System）で、データ管理機能（レコード単位のアクセス、スペース管理、カタログ管理、ファイル保護）と組み合わせて使われます。

ディレクトリとパス

ファイルシステムは、補助記憶の領域をファイルとディレクトリ（フォルダ）として使えるようにする機能です。管理方式は、全ファイルを 1 か所に並べる単一ディレクトリから、利用者ごとに 1 段設ける 2 階層ディレクトリ、任意の深さに枝分かれできる階層型ディレクトリ（木構造ディレクトリ）へと発展しました。木構造ディレクトリでは、最上位がルートディレクトリ、いま作業している位置がカレントディレクトリ、利用者ごとの起点がホームディレクトリです。ファイルの位置を示す文字列がパス名で、書き方は次の 2 通りです。

/home/user/docs/report.txt    絶対パス（ルートから書く。/ で始まる）
../docs/report.txt            相対パス（カレントが /home/user/work のとき同じファイルを指す）
.  … カレントディレクトリ自身
.. … 一つ上（親）のディレクトリ

別のファイルを指す仕組みがシンボリックリンク（Windows のショートカット、macOS のエイリアスに相当）で、実体は別の場所にあります。開いたファイルをプログラムが識別するための番号がファイル記述子（ファイルハンドル）、ファイルの物理的位置・保護情報・参照情報を保持する管理領域がファイル制御ブロックです。装置はデータの扱い方で、1 文字ずつ扱うキャラクターデバイスと、一定サイズのブロック単位で扱うブロックデバイスに分かれます。

ミドルウェア・言語プロセッサ・開発ツール

ミドルウェアは、OS が提供する基本機能とアプリケーションの間を埋めるソフトウェアです。どのアプリでも必要になる共通機能（データの永続化、トランザクション制御、通信、監視）を引き受けることで、アプリケーション側は業務ロジックに集中できます。

アプリケーションからミドルウェアや OS の機能を呼び出す約束事が API（Application Programming Interface）です。HTTP でやり取りする Web API の仕様記述形式として OpenAPI が広く使われ、機械可読な仕様からクライアントコードやドキュメントを自動生成できます。API がソースコードレベルの取決めであるのに対し、機械語の呼出し規約やデータ配置といったバイナリレベルの取決めが ABI（Application Binary Interface）で、同じ ABI をもつ環境なら再コンパイルなしで実行できます。関数やクラスをまとめて再利用可能にしたものがライブラリで、格納形態によりソースライブラリ・オブジェクトライブラリ・ロードライブラリ・クラスライブラリに分かれます。実行時に結合する共有ライブラリが DLL（Dynamic Link Library）です。

部品を組み合わせて開発する考え方がコンポーネントウェア（Java Beans、CORBA、OSGi）、標準的な構造をあらかじめ用意して穴埋め的に実装させるのが開発フレームワーク（Apache Struts、CakePHP、Spring Framework、Ruby on Rails）です。利用者のコマンドを解釈してプログラムを起動するシェル（コマンドインタプリタ。BShell、CShell、cmd.exe）も、カーネルの機能を呼び出す利用者側のインタフェースとしてこの層に位置づけられます。

言語プロセッサとリンク・ロード

人が書いたソースコードが実行されるまでには、翻訳・結合・配置の 3 段階があります（図 6-9）。

結合の時点で目的プログラムとライブラリをまとめて 1 つのロードモジュールにしてしまうのが静的リンク、呼び出す時点まで結合を遅らせるのが動的リンク（動的リンキング）です。静的リンクは実行ファイルが大きくなる代わりに単体で動き、動的リンクは実行ファイルが小さく DLL を複数プログラムで共有できる代わりに、実行環境に該当のライブラリが必要です。

コンパイラは内部で次の工程を順に実行します。この順序も出題対象です。

1. 字句解析: 文字列を字句（トークン）の並びに切り分ける
2. 構文解析: 文法に従って構文木を作る
3. 意味解析: 型の整合性など、文法だけでは判定できない誤りを検査する
4. 最適化: 実行速度やサイズが小さくなるようコードを変形する
5. コード生成: 目的プログラム（機械語・アセンブリ）を出力する

開発ツール

編集・翻訳・デバッグ・実行を 1 つの環境にまとめたものが IDE（Integrated Development Environment：統合開発環境）です。IDE には、実行を任意の位置で止めて変数の中身を確認しながら 1 行ずつ動かすデバッガが組み込まれています。試験でよく問われる個別ツールは次のとおりです。

• プロファイラ: 実行時に手続きごとの実行回数や所要時間を計測し、性能上のボトルネックを特定する（令和 6 年春 問 19 で出題）
• 静的解析ツール（ソースコード解析・プログラム構造解析）: プログラムを実行せずにコーディング規約違反や潜在バグを検出する。プリティプリンターやクロスリファレンスも静的デバッギングツール
• 動的解析ツール（プログラムを実際に動かして調べる動的デバッギングツール）: テストデータ生成ツール、テストカバレージツール、テストベッドツール、プログラム検証ツール、アサーションチェッカ、トレーサー、インスペクター、スナップショット
• エミュレーター・シミュレーター・ICE（In-Circuit Emulator）: 実機がなくても組込みソフトを動かして検証する。クロス開発と対で使う
• バージョン管理ツール（SCM：Software Configuration Management＝ソフトウェア構成管理）、構築ツール（ビルド／CI）、ドキュメント生成ツール、ローコードツール・ノーコードツール、設計支援ツール（SADT、SREM、PSL/PSA）

これらを一連の流れとしてつないだ道具立てをツールチェーンと呼びます。開発ツール系は直近 3 年で出題が増えており、令和 5 年秋にクロスコンパイラ、令和 6 年春にプロファイラが問われました。

オープンソースソフトウェアとライセンス

OSS（Open Source Software）は、ソースコードが公開され、再配布と改変が認められたソフトウェアです。OSI（Open Source Initiative）が示す定義では、再配布の自由、ソースコードの入手可能性、派生ソフトウェアの配布許可、利用分野・利用者・技術に対する差別の禁止などが求められます。「無償であること」は定義に含まれません（有償のサポート付きディストリビューションを販売してもよい）し、著作権を放棄したものでもありません。

ライセンスの違いを整理する軸がコピーレフトです。改変・再配布した派生物にも同じライセンスの適用を求める性質のことで、この強さでライセンスを 3 つに分けると迷いません（図 6-10）。

1 つのソフトウェアを、OSS ライセンスと商用ライセンスの両方で提供するデュアルライセンスもあります。GPL のままでは自社製品に組み込めない利用者が、有償の商用ライセンスを選べるようにする形です。

代表的な OSS と利用上の考慮点

導入時の考慮点は、ライセンスの適用範囲（自社製品に組み込むと公開義務が及ばないか）、サポート費用（無償なのはソフトウェア本体だけで、保守は自社かディストリビュータが担う）、問題発生時の対処（無保証が原則で、修正は自社対応かコミュニティ待ち）、そして脆弱性情報を追い続ける体制です。ソースが公開されているだけでは安全性・信頼性は保証されません。

ひっかけポイント

理解度チェック（科目 A 形式）

まとめ

中分類 5 は直近 10 年（19 回）で 76 問、1 回平均 4.0 問が出題されています。うち仮想記憶管理が 20 問、多重プログラミングとスケジューリングが 23 問で、この 2 テーマだけで 43 問。同じ論点の再出題が非常に多い分野なので、下の表の値がそのまま得点になります。

次の第 7 章では、この OS が動く土台であるハードウェア（論理回路・組込みシステム・IoT デバイス）を扱います。本章のリアルタイム OS・組込み OS・クロス開発は、そのまま第 7 章の組込みシステム設計につながります。