東京大学「オペレーティングシステム」講義案内
田浦健次朗

1 What’s new

常時追加・更新中
新しいものが上
お知らせなど随時掲載しますので，ちょくちょく「再読み込み」してください
(投稿日: 2025/11/07) 11/12 (水) の回の講義の代わりとなるオンデマンド教材>
- 動画教材はUTOLの「教材」の欄からリンクを取得して視聴してください
- 動画視聴後に演習教材のJupyter notebook os09_vm をやってください
- os09_vm は提出課題となります (締め切り: 11/29 (土) UTOLにてアナウンス)
(投稿日: 2025/11/05) お知らせ諸事情により,
- 11/12 (水) の回をオンデマンド講義 (録画 + 演習 (Jupyter)) とさせていただきます m(_ _)m
  - 当日の授業時間までに (できるだけその前の週末くらいに) 動画をアップしてアナウンスします
  - 通常通り, (いつもの時刻までに) 振り返りの提出をしてください
  - 演習 (Jupyter) は提出課題となるかもしれません (なる場合はUTOLで知らせます)
  - いつもの講義時間もしくはその前後 (振り返り提出まで) に105分の時間を確保して動画視聴 + 演習に取り組んでください
- 11/19 (水) の回を休講 -> 11/26 (水) に補講をします(同じ時間帯, 同じ場所)
- UTAS, UTOL上でアナウンス済みです
(投稿日: 2025/11/04) 11/05 予定
1. 並行処理と同期 (同期の実装, デッドロック)
2. メモリ管理, 仮想記憶
  - os08_addr
3. メモリ管理, 仮想記憶
  - os09_vm
(投稿日: 2025/10/29) 今日の授業の最後に, 江利口くんより「スライド並行処理と同期 p42 にあるリンク先のページは “Legacy …” となっている (今はどうなっている?)」という質問がありました. スライドを更新し忘れ + (過去に一度見たはずの内容を) 忘れていたもので, 補足, 訂正させていただきます. 要約としては同じものが名前と引数を(ややこしく)変えて提供されているというものです.
古いAPIページ
新しいAPIページ

変更点の全体的要約

関数名としては __sync_xxx -> __atomic_xxx と代わっている(ただし xxx の部分も代わっている場合があり, 名前から対応を想像する)
引数が増えており, とくに多くの関数が memorder (メモリオーダー) という引数を取ることになっている.

後者の意味を説明しだすと並列処理, コンピュータアーキテクチャに関する長〜い話になってしまうのです割愛しますが, * 手っ取り早く使うためには, よくわからなければ memorder 引数に __ATOMIC_SEQ_CST を与えておけば無難. * 一体何なのかをざっくりと, 一言で言うとこれらの操作前後の他のメモリアクセスがどう振る舞ってほしいかを制御します. 興味がある人はまずは新しいAPIページの説明を読み, よくわからなければWikipedia を読んだり, 「共有メモリ一貫性モデル」でググったり, ChatGPTさんに解説をお願いしたり, 田浦に聞いたりしてください.

compare&swap については引数も結構代わっており

__sync_bool_compare_and_swap(p, r, s)

と同じ動作をさせたければ

__atomic_compare_and_exchange_n(p, &r, s, false, __ATOMIC_SEQ_CST, __ATOMIC_SEQ_CST)

または

__atomic_compare_and_exchange(p, &r, &s, false, __ATOMIC_SEQ_CST, __ATOMIC_SEQ_CST)

でよさげ(どういうわけか, rを値そのものではなく値へのアドレスで与えることになっているという謎仕様. _n ありなしと2つのバージョンがありその違いは s を値で渡すか値へのアドレスで渡すかの違いだけという, これまた謎仕様. 後ろの3つの引数は説明は省略するものの本質的な拡張の意味があるが, 2, 3個目の引数の渡し方がこう代わったことは謎.

(投稿日: 2025/10/28) 10/29 予定
1. 並行処理と同期 (条件変数)
- os06_cond_var.sos
1. 並行処理と同期 (不可分更新〜)
- os07_atomic
1. メモリ管理
- os08_addr
(投稿日: 2025/10/21) 10/22 予定
1. スケジューリング (Linux Completely Fair Scheduler)
- os04_sched.sos
1. 並行処理と同期
- os05_mutex.sos
- os06_cond_var.sos
(投稿日: 2025/10/14) 10/15 予定
1. スレッド
- OSを例えるお題で「他者の投稿」を何ページか見て「いいね❤」をつける
- os02_process
- os03_thread
1. スケジューリング
- os04_sched.sos
(投稿日: 2025/09/27) 初回 10/08 予定
1. イントロ
2. Jupyter環境お試し
- Jupyter環境ユーザ名・パスワード入手 (UTOLの課題)
- os00_intro
- os01_install_linux
1. プロセス
- os02_process
1. 振り返り課題 (毎週; 授業の翌日まで)
2. 本日の宿題 OSをなにかに例えて下さい (締め切り: 明日まで). UTokyo Accountでサインインして下さい.
(投稿日: 2025/09/27) 2025年度版ホームページオープン

2 スライド

3 オペレーティングシステム(OS)とは

すでに自宅などでパソコンを使っている人は多いと思います． Windows, Mac OSという製品名はほとんどの人が聞いたことがあるでしょう．これらはみなオペレーティングシステムの実例です．サーバ用にはLinuxというOSが圧倒的に普及していますし, スマホ用のOSであるAndroidもLinuxが元になって作られています.
OSはコンピュータを動かすにあたって，最も基本的なソフトウェアです． OSの厳密な「定義」は難しく，左のような言い方でごまかすのが普通です．OS が何か？という問いに対する短い答えを追い求める代わりに，OSのないコンピュータとそうでないコンピュータの(その上の応用ソフトウェアを作る人の立場から見た)違いについて簡単に触れるのが有益かと思います．
- OSのない，「裸の」コンピュータでも，プログラムを作ることは可能です．しかしそれには非常な手間がかかります．まず，コンピュータにつながれた記憶装置（ハードディスク，CDROM，フロッピーディスク，USBメモリなど）や，ネットワークとのデータのやり取りが恐ろしく大変になります．同じ記憶装置でもディスクとUSBメモリではデータの読み方が違います．「ディスクのどのトラックの何番目のセクタを読め」，というコマンドを発行する変わりに「“OS講義案内”というファイルを読みたい」という，より抽象的な命令で，プログラムが必要な情報を入手できれば便利です．OSはこのような外部記憶装置に対する，統一的なインタフェースを与え，プログラムが，必要な情報がハードディスクにあるのか，フロッピーにあるのか，などの（ほとんどの場合はどうでもいい）違いを考慮せずにプログラムを書くことを可能にします．
- それだけではありません．もし一度に動くプログラムが一つだけであれば OSの役目はさほど大きくなかったでしょう．しかし実際にはひとつのコンピュータ内に同時にウェブブラウザが動き，ワープロが動き，ゲームが動きます．OS のないプログラムでこれを実現しようと思うと大変なことになります．コンピュータに搭載されているCPUは，与えられた命令列を順に実行するだけの機械です．裸のコンピュータで，ブラウザ，ワープロ，ゲームを同時に動かしたければ，それらを組み合わせた一つのプログラムを書いて，それぞれの実行を「少しずつ，代わりばんこに」実行するような処理を，プログラマが書かなくてはなりません．しかしそれは今日のプログラマが行っている作業ではなく，個々のプログラムはブラウザならブラウザ，ワープロならワープロ「のみ」に集中し，それらを「代わりばんこにちょっとずつ」実行するのはOSが行ってくれます．
- 最後に，OSの重要な機能に，保護機能があります．OSのない裸のコンピュータでは，一つのプログラムが処理を間違えると，コンピュータ全体が機能停止に陥ることが容易に起こり得ます．ワープロソフトのバグのせいで，コンピュータ全体が機能停止に陥り，リセットボタンを押す羽目になることが容易に起こるのです(一昔前になりますが, Windows 98, Windows Meや，冬至のMacintoshを利用している人は日常的に経験していました)．これは，それに対し，基本的な「メモリ保護機能」を備えたコンピュータは，通常のプログラムが勝手に他のプログラムや OSのデータを破壊することがないように作られています．この機能なくしてはプログラム開発が困難になるばかりでなく，複数の利用者が安心して同時に利用可能なコンピュータを作ることは，そもそも不可能です．

4 なぜオペレーティングシステムを学ぶのか？

卒業論文，またはその後の研究において，オペレーティングシステムそのものや，ネットワーキング（インターネット），プログラミング言語，セキュリティ，並列・分散計算など，その他あらゆる，コンピュータの基盤に関わる研究をしたいと思っている人は，迷わずオペレーティングシステムを学ぶべきです．オペレーティングシステムを学ぶことは，大雑把に言って，コンピュータソフトウェアが根本的なところで「どう動くか」を学ぶことと同じです．
- オペレーティングシステムの研究をしたい人にはなんの説明も必要がないでしょう
- ネットワーキングのように，コンピュータの入出力機構はオペレーティングシステムの中にインプリメントされています．日々進化するネットワーキングハードウェアを実際にプログラムから利用可能にするためには，デバイスドライバと呼ばれるソフトウェアを書く必要がありますが，これを動かすためには，オペレーティングシステムが根本的なところでどう動いているのかを学ぶ必要があるでしょう．
- プログラミング言語やライブラリの実装の中には，OSの提供する機能(仮想記憶など)を駆使したものがあります．たとえばメモリ管理やチェックポインティング（実行中プロセスの状態を退避する）ために，OSの仮想記憶が使われます．OSを学ぶと，素人（失礼!）にとっては「摩訶不思議な」機能の実装方法を理解することが出来ます．
- セキュリティは，オペレーティングシステムのにならず様々なソフトウェア（時にはハードウェア）の連携により実現されるものですが，どのような役割分担がされていることを知ることは，将来新たな提案をするための第一歩といえるでしょう．
- 並列・分散計算は，ネットワーキングやセキュリティなどの技術を組み合わせて，多数の計算機を用いて高性能な計算を可能にする技術です．そこでは， OSを単なるブラックボックスとして見たのでは，機能や性能上の重要なポイントをしばしば見失ってしまいます．たとえば，OSは「あたかも各プログラムが 1つのコンピュータを占有しているかのような錯覚」を与えてプログラミングを簡単にしますが，実際には10msとか，そのくらいの間隔でプログラムの間を切り替えながら実行しています．この事実を知らずにいると，複数のプログラムの待ち合わせに，busy wait この言葉の意味がわからなければ授業にきてください）を用いることが，どのような場合に良く，どのような場合に悪い選択なのかが理解できません．
私はコンピュータのシステムそのものの勉強がしたいのではなく，コンピュータを使った情報処理（自然言語，画像，音声，etc.）ができればそれで満足だ，細かいOSの機能などはどうでもよい，という人もいることでしょう．そのような人にも，単位を取る以上の動機付けをあたえるとすると以下のようになるでしょう．
- まず，およそどんなプログラムもOSの提供する機能を使わずにプログラムができることはありません．そのようなプログラムはアルゴリズムの授業に出てくるだけで，実際にはそれらのアルゴリズムを，ディスクやネットワークからの情報と組み合わせてプログラムを作ります．その意味で，およそプログラミングに関わる人は全て，OSが提供する機能(API)を学ぶ必要があります．しかし，APIを学ぶときに，UNIXやWindowsのマニュアルとにらめっこするのは，あまり知的なやり方ではないでしょう．そうではなく，どんなOSでも，（まともなOSならば)提供している「はずの」機能に対する鳥瞰図を得ておき，必要に応じてマニュアルを見るのが正しい方式です．
- より重要なことは，マニュアルを読むのでもほとんどの場合，基本的なOS の背景知識が必要になることです．例えば以下はUNIXの mmapというAPIに関する説明です．これを初めて読んで，理解できる人は少ないでしょう．これがいったい何をするためにあるのか，どういう場面で役に立つのかを理解するには，マニュアルを奥深く読むのではなく，「OSの基本」について学ぶのが最も近道であり，まっとうな道です．

OSを学ぶ気になったでしょうか？

5 講義の進め方

普通の講義と同様，教室での講義をすることになると思います．ただし， OSは黒板の上で説明するだけで面白いものではありません．OSを学ぶのは，コンピュータの最もweirdな(「変な」)部分を学ぶことですから，コンピュータにたくさんさわらずに，あるいはさわったとしても，メールやWEBを使うだけではOSを「体感」することはできません（これはOSの役割が「縁の下の力持ち」でることを考えれば当たり前です）．したがって，ときおりプログラミング演習的な要素を取り入れる予定です．
単位も普通に試験で行うことになるでしょうが，これもOSは筆記試験だけで出来を決めるのは，体育の試験を筆記試験でやるのに近いものを感じます．そこで，プログラミング演習で力作を課して，その出来によっては試験を免除するということも考えています．詳細は授業中にお知らせします(どんなことが行われたかは以下を見ると少しはわかるでしょう)．要するにプログラミングのためにコンピュータを長時間触る(コンピュータ好きがコンピュータに「ハマル」)機会を作りたいと考えています．
また，もうひとつの選択肢として，授業の最後の方の時間を利用して，少し高度な内容を本や論文から調べて，発表してもらうという時間を作りました．ちょっと高度すぎたかも知れませんが，同様の主旨の企画は今年も作ろうかと思っています．

6 評価 (2020年度)について

7 教科書・参考書

Silberschatz et al. Operating System Concepts Ninth Edition (ISBN 0471694665). 大部な名著です．名著ですがちと高すぎます…
Silberschatz et al. Applied Operating System Concepts (Windows Xp Update) (ISBN 0471263141). 内容的にはほぼ，Operating System Conceptsと同一ですが，Windows XPなどに関するCase Studyが充実しています．
D.M. Dhamdhere Operating Systems (ISBN-10: 0070611947, ISBN-13: 978-0070611948). 基礎的な内容から，マルチプロセッサ，分散システムまで充実した内容．
Andrew S. Tanenbaum Modern Operating Systems (ISBN 0136386776). 古典的な話と，分散システムの話を広くカバーしている
Andrew S. Tanenbaum and Albert S. Woodhull [Operating Systems: Design and Implementation, second edition] (http://www.amazon.co.jp/exec/obidos/tg/detail/glance/-/english-books/0136386776/0136386776/249-9962019-8008335) (ISBN 0135881870). Minixという小さなOSを，ソースコードを掲載しながら細部まで説明している．
前川守オペレーティングシステム (ISBN 4000103466). 日本語の大部な教科
野口健一郎オペレーティングシステム (ISBN 4274132501). 薄めの要点解説的な教科書．
以下は，いわゆる一般的なOSの教科書ではありませんが，興味を持つ人もいるでしょう．
Gary Nutt. Kernel Projects for Linux (ISBN 0201612437). 邦訳: 実習Linuxカーネル理論と実習カーネルを効率的に理解するための実習書 (ISBN 4894714566). ここにある数々のプログラミング課題がすべてできれば，授業に出る必要はない．
Beck et al. Linux Kernel Programming (ISBN 0201719754). Linuxカーネルについての詳細な解説.
Uresh Vahalia UNIX Internals The New Frontiers (ISBN 0-13-101908-2). UNIXについての詳細な解説.
Jim Mauro and Richard Mc Dougall Solaris Internals Core Kernel Architecture (ISBN 0-13-022496-0). Solaris (UNIXの一種)についての詳細な解説
Remy Card, Eric Dumas, and Franck Mevel The Linux Kernel Book (ISBN 0471981419) Linuxについての詳細な解説
W. Richard Stevens Advanced Programming in the UNIX Environment (ISBN 0-201-56317-7). UNIXの，内部ではなくシステムコール(API)を解説．システムプログラマとしての腕を上げたい人向き

8 講義項目(予定)

概論
- 「裸の」コンピュータ
  - CPU
  - メモリ
  - 入出力機器
- プログラマから見たOS: 基本概念
  - CPUの抽象化: スレッドとプロセス
  - メモリの抽象化: アドレス空間
  - 外部記憶装置の抽象化: ファイルシステム
  - ネットワークの抽象化: ソケット
- プロセスとスレッド
  - 提供される抽象化
  - スレッド，プロセス
  - シグナル
- CPUの割り当て(スケジューリング)アルゴリズム
- 仮想記憶
  - 提供される抽象化: アドレス空間
  - 物理アドレスと論理アドレス
  - ページ表とTLB
  - ページング
  - ページ置換アルゴリズム
- 仮想記憶プリミティブとその応用
  - ページ保護のためのAPI
  - チェックポインティング
  - 効率的な自動メモリ管理
- ファイルシステム
  - 提供される抽象化
    - ドライブ，ディレクトリ，ファイル
    - open/read/write
    - ファイルのメモリへのマッピング
    - アクセス制御
    - 権限委譲

東京大学「オペレーティングシステム」講義案内 田浦健次朗