hysryt
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5 years ago 第2章
システムコール
システムコールには以下のようなものがある。
・プロセスの生成、削除（fork, clone, kill）
・メモリの確保、開放（brk）
・プロセス間通信（pipe）
・ネットワーク（socket）
・ファイルシステム操作
・ファイル操作
CPUのモード切り替え
システムコールが発行されると CPU に割り込みイベントが発生する。これによって CPU はユーザーモードからカーネルモードに切り替わり、カーネルの処理を開始する。カーネルでの処理が終了すると再びユーザーモードに切り替わり、プロセスの処理を継続する。
システムコールを介さずにユーザーモードからカーネルモードに切り替える方法はない。
strace
strace コマンドを使うことでプログラムが内部で行うシステムコールをトレースすることができる。
$ strace -o hello.log ./hello$ cat hello.log
execve("./hello", ["./hello"], 0x7fffb1c95b30 /* 21 vars */) = 0
brk(NULL) = 0x55bbcf5e4000
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)
access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)
openat(AT_FDCWD, "/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=25586, ...}) = 0
mmap(NULL, 25586, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7fa90876b000
close(3) = 0
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)
openat(AT_FDCWD, "/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
read(3, "\177ELF\2\1\1\3\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0\260\34\2\0\0\0\0\0"..., 832) = 832
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=2030544, ...}) = 0
mmap(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fa908769000
mmap(NULL, 4131552, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x7fa90815a000
mprotect(0x7fa908341000, 2097152, PROT_NONE) = 0
mmap(0x7fa908541000, 24576, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x1e7000) = 0x7fa908541000
mmap(0x7fa908547000, 15072, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fa908547000
close(3) = 0
arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x7fa90876a4c0) = 0
mprotect(0x7fa908541000, 16384, PROT_READ) = 0
mprotect(0x55bbcdf5a000, 4096, PROT_READ) = 0
mprotect(0x7fa908772000, 4096, PROT_READ) = 0
munmap(0x7fa90876b000, 25586) = 0
fstat(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(136, 0), ...}) = 0
brk(NULL) = 0x55bbcf5e4000
brk(0x55bbcf605000) = 0x55bbcf605000
write(1, "hello world!\n", 13) = 13
exit_group(0) = ?
+++ exited with 0 +++プログラムの開始処理と終了処理だけでも多くのシステムコールが発行されることがわかる。
-T オプションでシステムコールにかかった時間、-tt オプションでシステムコールの開始時刻を表示できる。
-T オプション
$ strace -o hello.log -T ./hello
hello world!
$ cat hello.log
execve("./hello", ["./hello"], 0x7ffc0903edb8 /* 21 vars */) = 0 <0.000310>
brk(NULL) = 0x5601e8c3e000 <0.000060>
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory) <0.000066>
access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory) <0.000063>
openat(AT_FDCWD, "/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3 <0.000065>
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=25586, ...}) = 0 <0.000059>
mmap(NULL, 25586, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7f0f61895000 <0.000062>
close(3) = 0 <0.000058>
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory) <0.000062>
openat(AT_FDCWD, "/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3 <0.000065>
read(3, "\177ELF\2\1\1\3\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0\260\34\2\0\0\0\0\0"..., 832) = 832 <0.000060>
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=2030544, ...}) = 0 <0.000065>
mmap(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f0f61893000 <0.000130>
mmap(NULL, 4131552, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x7f0f61284000 <0.000065>
mprotect(0x7f0f6146b000, 2097152, PROT_NONE) = 0 <0.000066>
mmap(0x7f0f6166b000, 24576, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x1e7000) = 0x7f0f6166b000 <0.000067>
mmap(0x7f0f61671000, 15072, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f0f61671000 <0.000068>
close(3) = 0 <0.000059>
arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x7f0f618944c0) = 0 <0.000058>
mprotect(0x7f0f6166b000, 16384, PROT_READ) = 0 <0.000064>
mprotect(0x5601e783f000, 4096, PROT_READ) = 0 <0.000063>
mprotect(0x7f0f6189c000, 4096, PROT_READ) = 0 <0.000066>
munmap(0x7f0f61895000, 25586) = 0 <0.000068>
fstat(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(136, 0), ...}) = 0 <0.000060>
brk(NULL) = 0x5601e8c3e000 <0.000058>
brk(0x5601e8c5f000) = 0x5601e8c5f000 <0.000060>
write(1, "hello world!\n", 13) = 13 <0.000301>
exit_group(0) = ?
+++ exited with 0 +++
<>の中が処理にかかった時間（秒）
-tt オプション
$ strace -o hello.log -tt ./hello
hello world!
$ cat hello.log
12:24:45.677458 execve("./hello", ["./hello"], 0x7ffe9e340e08 /* 21 vars */) = 0
12:24:45.677810 brk(NULL) = 0x55e213ae9000
12:24:45.677881 access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)
12:24:45.677937 access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)
12:24:45.677982 openat(AT_FDCWD, "/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
12:24:45.678027 fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=25586, ...}) = 0
12:24:45.678068 mmap(NULL, 25586, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7f6aeaa0f000
12:24:45.678107 close(3) = 0
12:24:45.678144 access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)
12:24:45.678188 openat(AT_FDCWD, "/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
12:24:45.678232 read(3, "\177ELF\2\1\1\3\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0\260\34\2\0\0\0\0\0"..., 832) = 832
12:24:45.678273 fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=2030544, ...}) = 0
12:24:45.678311 mmap(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f6aeaa0d000
12:24:45.678353 mmap(NULL, 4131552, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x7f6aea3fe000
12:24:45.678393 mprotect(0x7f6aea5e5000, 2097152, PROT_NONE) = 0
12:24:45.678462 mmap(0x7f6aea7e5000, 24576, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x1e7000) = 0x7f6aea7e5000
12:24:45.678583 mmap(0x7f6aea7eb000, 15072, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f6aea7eb000
12:24:45.678635 close(3) = 0
12:24:45.678686 arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x7f6aeaa0e4c0) = 0
12:24:45.678775 mprotect(0x7f6aea7e5000, 16384, PROT_READ) = 0
12:24:45.678821 mprotect(0x55e213024000, 4096, PROT_READ) = 0
12:24:45.678863 mprotect(0x7f6aeaa16000, 4096, PROT_READ) = 0
12:24:45.678904 munmap(0x7f6aeaa0f000, 25586) = 0
12:24:45.679008 fstat(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(136, 0), ...}) = 0
12:24:45.679083 brk(NULL) = 0x55e213ae9000
12:24:45.679118 brk(0x55e213b0a000) = 0x55e213b0a000
12:24:45.679160 write(1, "hello world!\n", 13) = 13
12:24:45.679996 exit_group(0) = ?
12:24:45.680168 +++ exited with 0 +++
sar
sar コマンドを使うことで CPU のユーザーモードとカーネルモードの処理の割合を確認できる。
$ sar -P ALL 1
Linux 4.15.0-33-generic (ubuntu-bionic) 02/24/19 _x86_64_ (2 CPU)
12:28:19 CPU %user %nice %system %iowait %steal %idle
12:28:20 all 0.00 0.00 0.50 0.00 0.00 99.50
12:28:20 0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00
12:28:20 1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00
12:28:20 CPU %user %nice %system %iowait %steal %idle
12:28:21 all 0.00 0.00 0.50 0.00 0.00 99.50
12:28:21 0 0.00 0.00 0.99 0.00 0.00 99.01
12:28:21 1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00
Average: CPU %user %nice %system %iowait %steal %idle
Average: all 0.00 0.00 0.50 0.00 0.00 99.50
Average: 0 0.00 0.00 0.50 0.00 0.00 99.50
Average: 1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00%user と %nice がユーザーモード、%system がカーネルモードの処理の割合となっている。
%system が数十のような大きい値になっている場合はシステムの負荷が高すぎることが多い。
ラッパー関数
システムコールはアーキテクチャに依存したアセンブリコードからのみ発行することができ、C言語のような高級言語から直接発行することはできない。
しかしアプリケーション開発者が毎回アセンブリを書くわけには行かないため、各システムコールを呼び出すだけのラッパー関数が、アーキテクチャごとに用意されている。
Linux 場合、標準 C ライブラリおよびラッパー関数として多くは glibc が使用される。
第1章
プロセス
プログラムの単位。 多くのOSは複数のプロセスを実行できる。
CPU
CPUにはカーネルモードとユーザーモードがある。 通常のプロセスはユーザーモードで動作する。 カーネルモードで動作するものには以下のものがある。
デバイスドライバ
デバイスを操作するためのプログラム。 プロセスからはデバイスドライバを介してデバイスを操作する。 デバイスドライバはカーネルモードで動作する。
カーネル
カーネルモードで動作するプログラムをまとめたもの。 OSはカーネルにユーザーモードで動作するプログラムを付け加えたもの。 カーネルはCPUやメモリを管理し、リソースを各プロセスに割り振る。
システムコール
ユーザーモードからカーネルへはシステムコールを介して処理を依頼する。