講義ページ (単一ページ版)
https://lsnl.jp/l/os
講義ページ (複数ページ版 (モバイル端末向け)、各回の資料のみ)
https://lsnl.jp/~ohsaki/lecture/os/2025/toc.html
[授業開始時に提出] 出席確認フォーム (パスワードが必要です)
https://lsnl.jp/app/lecture/attend/show/os
[授業中に使用] オペレーティングシステム CTF (パスワードが必要です)
https://lsnl.jp/~ohsaki/lecture/os/2025/priv/ctf.html
[授業中に使用] クリッカー (パスワードが必要です)
https://lsnl.jp/app/lecture/clicker/show/os
[授業中に提出] リフレクションシート (パスワードが必要です)
https://lsnl.jp/app/lecture/refl/show/os
[自習後に提出] レポート送信フォーム (パスワードが必要です)
https://lsnl.jp/app/lecture/report/show/os
講義ビデオ (パスワードが必要です)
https://lsnl.jp/video/os/2025/大崎 博之
関西学院大学 工学部 情報工学課程
E-mail: os-staff[atmark]lsnl.jpコンピュータの基本ソフトウェアであるオペレーティングシステムの概念と、 その原理を学ぶ。 オペレーティングシステムの歴史、 プロセスとスレッド、 デッドロック、 メモリ管理、 入出力、 ファイルシステムなど基本的な概念に加えて、 マルチメディア処理、 マルチプロセッサシステム、 セキュリティなど最近のトピックについても学ぶ。
オペレーティングシステムの基本的な概念が理解できるようになる。
まず、 オペレーティングシステムに関する技術のエッセンスを説明する。 その後、 それらの技術が、 現在広く利用されているオペレーティングシステムにどのように実現されている (もしくは実現されていない) かを解説する。 オペレーティングシステムを、 学術的な観点と、 実践的な観点の両方から学ぶため、 非常に興味を持って取り組めるであろう。
【オンライン受講生対象】 オンラインでの受講を許可された学生に対しては、 同時双方向型オンライン授業で対応します。
資料の掲載場所: https://lsnl.jp/l/os
同時双方向型オンライン授業への接続方法については担当教員 (ohsaki[atmark]kwansei.ac.jp) に問い合わせてください。
Andrew S. Tanenbaum 『モダンオペレーティングシステム第 2 版』 (ピアソン・エデュケーション・ジャパン、 2004 年) (絶版)
授業中試験 50%、平常リポート 50%
2025 年度 オペレーティングシステム講義スケジュール (予定)
2025-04-11 オペレーティングシステムの概要
2025-04-18 CPU の原理
2025-04-25 プロセスとスレッド
2025-05-02 プロセス間通信
2025-05-09 スケジューリング (1)
2025-05-16 スケジューリング (2)
2025-05-23 前半の総復習
2025-05-30 メモリ管理(1)
2025-06-06 メモリ管理(2)
2025-06-13 入出力 (外部 I/O)
2025-06-20 入出力 (ユーザインターフェース)
2025-06-27 ファイルシステム
2025-07-04 後半の総復習
2025-07-11 授業中試験
注意事項、 教育方針、 学習のポイント、 病欠/公欠の時に何をすればよいか等を説明しています。
大崎が担当する科目に共通の連絡事項・アドバイス
https://lsnl.jp/~ohsaki/lecture/
1. 解説 (40 分)
2. グループワーク (40 分)
3. 確認テスト (10 分)
4. 採点・リフレクションシート記入 (10 分)- いろいろな人とチームになる
- チームの人数は自由に決めてよい- しゃべる
- 質問する
- 説明する
- 動く (立ち歩く)
- チームで協力する
- チームに貢献する- オペレーティングシステムとは何かを他人に説明できるようになる。
- シングルタスク型とマルチタスク型のオペレーティングシステムの違いを他人に説明できるようになる。
- オペレーティングシステムにおけるプリエンプティブ・マルチタスキングの概要を他人に説明できるようになる。
- パソコンやスマートフォンに搭載されているオペレーティングシステムの種別を確認できるようになる。
注意: Wikipedia 日本語版およびブログ等を情報源として用いてはならない。
英語が苦手な人へ: 英語のトレーニングも兼ねて、 日頃から英語の文献を読むことをおすすめします。 英語を読み続けるのがつらい場合は、 日本語の文献を探すのではなく、 機械翻訳 (ChatGPT がおすすめ) を使いましょう。
オペレーティングシステム (operating system) とは何かを説明せよ。
なぜ、 operation system ではないのか? なぜ、 (日本では「基本ソフトウェア」と呼ばれるのに) basic software ではないのか? なぜ、 operating software ではないのか?
シングルタスク型 (single-tasking) とマルチタスク型 (multi-tasking) のオペレーティングシステムの違いを説明せよ。
パソコンやスマートフォン等の上で、 複数のプログラムを同時に実行できる (ように見える) のはなぜかを説明せよ。
自身が所有しているパソコンもしくはスマートフォンに搭載されているオペレーティングシステムの正確な名称およびバージョンを実際に確認せよ。 確認方法と、 確認によって判明したオペレーティングシステムの名称およびバージョンを答えよ。
---- JIS X0001 04.08
operating system:プログラムの実行を制御するソフトウェアであって,資源割振り,スケジューリ
ング,入出力制御,データ管理などのサービスを提供するもの.〈備考〉オペレーティングシステム
は,ソフトウェアが主体であるが,部分的にハードウェア化することも可能である.
---- エンカルタ'05: オペレーティング・システム [Operating System]
オペレーティング・システム Operating System コンピューターの基本ソフトウェア。OSと略され
ることが多い。本来は、コンピューターを動作させるために必要な最小限のソフトウェア。メモリー、
CPUの処理時間、ディスク、周辺機器などのハードウェアの割り当てや、その使用を管理する。ワー
ドプロセッサーやスプレッドシートのようなアプリケーションを建物とすると、オペレーティング・シ
ステムは、土台にあたるものである。
---- 広辞苑5: オペレーティング-システム【operating system】
コンピューターで、利用者とハードウェアの間にあって、利用者がコンピューター-システムをで
きるだけ容易に使うことができるようにするための基本的なソフトウェア。ＯＳ
Operating system
https://en.wikipedia.org/wiki/Operating_system参考資料
Types of operating systems
https://en.wikipedia.org/wiki/Operating_system#Types_of_operating_systems参考資料
Computer multitasking
https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_multitasking参考資料
Check & update your Android version
https://support.google.com/android/answer/7680439?hl=en
Find the software version on your iPhone, iPad, or iPod
https://support.apple.com/en-us/HT201685
How do I determine the OS version at runtime in OS X or iOS (without using Gestalt)?
https://stackoverflow.com/questions/11072804/how-do-i-determine-the-os-version-at-runtime-in-os-x-or-ios-without-using-gesta
How can I check the system version of Android?
https://stackoverflow.com/questions/3093365/how-can-i-check-the-system-version-of-android確認テストは持込み不可です。 回答用紙は、 持っている好きな用紙を使用してください。 ノートの 1 ページを使っても、 タブレット上に電子的に記入してもかまいません。 手持ちの紙がない人には A4 のコピー用紙を配布します。
回答後、 周囲の人と答案を交換して、 相互採点してください。 間違っている箇所があれば、再度解き直してください。 その後、周囲の人に再度採点を依頼してください。
100 点満点の答案になるまで上記を繰り返してください。
以下のページから、リフレクションシートを記入して送信してください。
[授業中に提出] リフレクションシート (パスワードが必要です)
https://lsnl.jp/app/lecture/refl/show/os上記のフォームの上部にリフレクションシートのねらいや、 何を記入すべきかを説明しています。 これらをよく読んで、指示に従ってください。
リフレクションシートの提出期限は授業実施日の 23:59 です。
Computer multitasking https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_multitasking
In computing, multitasking is the concurrent execution of multiple tasks
(also known as processes) over a certain period of time. New tasks can
interrupt already started ones before they finish, instead of waiting for
them to end. As a result, a computer executes segments of multiple tasks in
an interleaved manner, while the tasks share common processing resources
such as central processing units (CPUs) and main memory. Multitasking
automatically interrupts the running program, saving its state (partial
results, memory contents and computer register contents) and loading the
saved state of another program and transferring control to it. This "context
switch" may be initiated at fixed time intervals (pre-emptive multitasking),
or the running program may be coded to signal to the supervisory software
when it can be interrupted (cooperative multitasking).
ChatGTP による日本語訳
コンピューティングにおいて、マルチタスキングとは、一定期間に複数のタスク（プ
ロセスとも呼ばれる）を同時に実行することです。新しいタスクは、既に開始された
タスクが終了するのを待つのではなく、それらを中断することができます。その結果、
コンピュータは複数のタスクのセグメントを交互に実行しながら、中央処理装置
（CPU）やメインメモリなどの共通の処理リソースを共有します。マルチタスキング
は自動的に実行中のプログラムを中断し、その状態（部分的な結果、メモリ内容、コ
ンピュータレジスタの内容）を保存し、別のプログラムの保存された状態を読み込ん
で制御を移行します。この「コンテキストスイッチ」は、固定された時間間隔で開始
されることがあります（プリエンプティブマルチタスキング）、または、実行中のプ
ログラムが監視ソフトウェアに対して中断可能であることを通知するコードが組み込
まれている場合があります（協調マルチタスキング）。マルチタスク https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9E%E3%83%AB%E3%83%81%E3%82%BF%E3%82%B9%E3%82%AF
マルチタスク (英: multi tasking) は、コンピュータにおいて複数のタスク（プロセ
ス）を切り替えて実行できるシステムのことである。Unix など「プロセス」という用
============ システムではない
語を使うシステムではマルチプロセスともいう（ほぼ同じものを別のシステムでは別の
============ task/tasking/process/processing を混同している
名で呼んでいることもあれば、違うものを同じ名で呼んでいることもあれば、何らかの
理由で呼び分けていることもある）。マルチプログラミングという語は複数のプログラ
============================ multitasking の本質と関係ない話
ムを動かすという点に着目した語である（一般に、「タスク」とか「プロセス」は、プ
ログラムの活動実体、といったようなものを指す語である）。逆に、同時に一つのタス
======= これは単なる task/process の話
クしか実行できない方式をシングルタスクという。
=== マルチタスクは「システム」で、シングルタスクは「方式」?授業終了後に自習を行い、 到達目標まで到達せよ。 疑問に思った点、 わからない点は各自で信頼できる文献を用いて調査せよ。
その後、 「今週の作業内容」、 「『内容目標』をどの程度達成できた/できなかったか」、 「質問・要望・コメント」、 「感想」を「レポート送信フォーム」から送信せよ。
レポート課題の内容や書き方については、 レポート送信フォームに説明があるのでそちらを参照せよ。
提出方法: 「レポート送信フォーム」から送信せよ。 レポートが正しく提出されると、 レポートの控えが自身のメールアドレス宛に送信される。 レポートの控えは成績発表まで保存しておくこと。 レポートが再提出された場合は、 新しいほうを採点対象とする。
提出期限: 次回の授業開始の 48 時間前とする (例えば、 4/11(金) の課題であれば、 4/18(金) 5:05pm の 48 時間前である 4/16(水) 5:05pm)。 期限を過ぎたものは受理しない。
注意事項: 「質問・要望・コメント」は匿名にした上で公開する (講義ページに掲載する)。 公開されて困る内容は「質問・要望・コメント」等に含めないこと。 個人的な質問・相談等は「感想」の覧に記入せよ。
- なぜコンピューターはハードウェアでマルチタスクを行わないのですか？
ハードウェアを使ってマルチタスキングを行うものもあります。単一の CPU で、な
ぜプリエンプティブでマルチタスキングを実現するのか、という意味なら、他に方法
がないからです。多重度 16 とか多重度 32 でよいなら専用ハードウェアでの実現も
可能ですが、専用ハードウェアでは任意の多重度に対応できません。- 英語の文献を調べるコツを教えてほしいです。
英語の文献の探し方ですか? 読み方ですか? 探し方なら、できるだけ一次情報を見る
ことです。- 自習するにあたって参考にしても良いサイトとそうでないサイトの基準があれば教えて欲しいです。文献や大学の教授が書いた資料以外は避けた方が良いのでしょうか。
参考にしも「良い」/「良くない」の二値ではないのが難しいところですね。この文
献は信頼度 78% で、あの文献は信頼度 34% という世界です。
基本は一次情報からの距離です。
著者: 考案者/発明者 → 考案者/発明者と同じグループの人 → その分野で超一流の
人 → その分野の専門家 → 一般エンジニア/大学院生、実名の人 → 匿名の人
文献の種別: 考案者/発明者が書いた原著論文 → 超一流の人が書いた論文 → 教科
書 → 専門書 → 一般書 → 集合知 (Wikipedia) → ネット上の情報 (ブログ、X、
YouTube)
例えば、Dijkstra 法について調べるのであれば、Dijkstra が書いた原著論文が最高
の文献です。よくわからない人が書いたブログ記事や、よくわからない人が発信して
いる YouTube のビデオが最低の文献(情報)です。- iOSなどのモバイル向けOSがデスクトップ向けOSに比べて工夫されていることは何ですか?
いろいろありますが、一番大きいのは省電力を下げる工夫だと思います- 1つ目の解答欄に「どのような自習を行いましたか? 」という質問がありますが、これは学習した内容を問うているのですか。それとも、自習の取り組み方を聞かれているのですか。今回は後者の方ととらえて解答させていただきました。
両方です。何を勉強したのか(内容)、どんな方法で勉強したのか(手段・形式)、どん
な目的で行ったのか(目的)を書いてください。
- 最近のOSにRustとC(C++)のどっちを使うか?どっちも使うか?みたいな話にどう思ってらっしゃいますか?
「さすがに今後も C や C++ で書き続けるのはしんどいけど、どっちの方向に行くの
だろう」と思ってます。- この欄は、特に何もなければ今後空欄で提出しても問題ありませんか。
はい。- 授業内で行った課題のような問題が定期テストで出る感じですか?
はい。- グループワークの時間もう少し増やしてほしいです。
説明の時間を取りすぎないようにします。- 実際のスマホやPCでは、OSのアップデートでマルチタスクの性能はどれほど変わるのか気になりました。
- 初めての授業形態でしたが自分のためになる形式だと思いました。
- いい授業でした。
- 可能であれば教室を横長のものに変更してほしい。初回授業に苦しんだが、スクリーンが見えにくく感じる席に座ってしまった。
前方の席が空いていますので、見やすい席を探してみてください。
2025-04-11 のものと同じ。
https://lsnl.jp/~ohsaki/lecture/os/2025/#12-1
- 簡単なプログラムに対して、ミニ CPU の動作をトレースできるようになる。
- ミニ CPU の動作を手作業でトレースすることにより、CPU の原理を理解する。
- ミニ CPU とオペレーティングシステムの動作をシミュレートすることにより、プリエンプティブ・マルチタスキングの原理を理解する。
資料: 「ミニ CPU」によるコンピュータおよびオペレーティングシステムの動作の理解
https://lsnl.jp/~ohsaki/lecture/os/2025/priv/mini-cpu.pdf資料中の E1 (12 + 34 = 46) の動作をトレースせよ。 各ステップにおける、 4 枚のカード (PC、 A、 B、 C) の値と、 ノート 5 行目の値の変化を書き出せ。
資料中の E2 (1〜3 の和の計算) の動作をトレースせよ。 各ステップにおける、 4 枚のカード (PC、 A、 B、 C) の値と、 ノート 10 行目の値の変化を書き出せ。
資料中の E3 (1〜4 の積の計算) の動作をトレースせよ。 各ステップにおける、 4 枚のカード (PC、 A、 B、 C) の値と、 ノート 10 行目の値の変化を書き出せ。
資料中の E4 (1〜5 の積の計算) におけるプリエンプティブ・マルチタスキングの動作を、 「ミニ CPU 係」と「オペレーティングシステム係」の 2 人がペアになってシミュレートせよ。
ミニ CPU 係の役割: 現在のカードセットを使って、 ミニ CPU の動作をひたすら実行する。 オペレーティングシステム係の指示に従ってカードセットを切り替える。 ただし、 カードセットを切り替えられるのはステップ 1 (PC カードに書かれている行番号の「指示」をノートから読み込む) の直前のみである。 つまり、 ステップ 1〜3 はまとめて一気に実行する (途中で切り替えられることはないアトミックな処理である)。
オペレーティングシステム係の役割: 自由なタイミング (例えば 10 秒ごと) で、 ミニ CPU に対して「はい、 カードセットを切り替えてください」と指示する。
| PC | A | B | C | 5行目の値 |
|----+----+----+---+-----------|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 12 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 12 | 34 | 0 | 0 |
| 3 | 46 | 34 | 0 | 0 |
| 4 | 46 | 34 | 0 | 46 |
| 4 | 46 | 34 | 0 | 46 |
| 4 | 46 | 34 | 0 | 46 |
| 4 | 46 | 34 | 0 | 46 |
| 4 | 46 | 34 | 0 | 46 |
| 4 | 46 | 34 | 0 | 46 || PC | A | B | C | 10行目の値 |
|----+----+---+---+------------|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 3 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 4 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 5 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 6 | 1 | 2 | 0 | 0 |
| 2 | 1 | 2 | 0 | 0 |
| 3 | 3 | 2 | 0 | 0 |
| 4 | 3 | 2 | 0 | 0 |
| 5 | 3 | 2 | 0 | 0 |
| 6 | 3 | 3 | 0 | 0 |
| 2 | 3 | 3 | 0 | 0 |
| 3 | 6 | 3 | 0 | 0 |
| 4 | 6 | 3 | 0 | 0 |
| 7 | 6 | 3 | 0 | 0 |
| 8 | 6 | 3 | 0 | 6 |
| 8 | 6 | 3 | 0 | 6 |
| 8 | 6 | 3 | 0 | 6 |
| 8 | 6 | 3 | 0 | 6 || PC | A | B | C | 10行目の値 |
|----+----+---+---+------------|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 3 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 4 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 5 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 6 | 1 | 2 | 0 | 0 |
| 2 | 1 | 2 | 0 | 0 |
| 3 | 2 | 2 | 0 | 0 |
| 4 | 2 | 2 | 0 | 0 |
| 5 | 2 | 2 | 0 | 0 |
| 6 | 2 | 3 | 0 | 0 |
| 2 | 2 | 3 | 0 | 0 |
| 3 | 6 | 3 | 0 | 0 |
| 4 | 6 | 3 | 0 | 0 |
| 5 | 6 | 3 | 0 | 0 |
| 6 | 6 | 4 | 0 | 0 |
| 2 | 6 | 4 | 0 | 0 |
| 3 | 24 | 4 | 0 | 0 |
| 4 | 24 | 4 | 0 | 0 |
| 7 | 24 | 4 | 0 | 0 |
| 8 | 24 | 4 | 0 | 24 |
| 8 | 24 | 4 | 0 | 24 |
| 8 | 24 | 4 | 0 | 24 |
| 8 | 24 | 4 | 0 | 24 |省略
独習アセンブラ 新版
https://www.shoeisha.co.jp/book/detail/9784798170299「レポート課題 2025-04-11」と同じ。
https://lsnl.jp/~ohsaki/lecture/os/2025/#10-10
1. 解説 (40 分)
2. グループワーク (30 分)
3. オペレーティングシステム CTF テスト (10 分)
4. グループワーク (10 分)
5. リフレクションシート記入 (10 分)2025-04-11 のものと同じ。
https://lsnl.jp/~ohsaki/lecture/os/2025/#10-1
- プロセスの状態遷移図を描き、なぜそうなるかを他人に説明できるようになる。
- ミニ CPU の動作を手作業でトレースすることにより、「プロセス」と「スレッド」の違いを理解する。
- プロセスとスレッドの原理から、それぞれの利点・欠点を理解する。
プロセスの状態が running から waiting に遷移するのはどの場合か。
+--------------->
|
+-----------+
+----->| running |-----+
| +-----------+ |
v v
+-----------+ +------------+
----->| waiting |<----------| blocked |
+-----------+ +------------+
1. プロセスが生成された。
2. プロセスが終了した。
3. プロセスが入出力要求を行った。
4. 入出力要求による処理が完了した。
5. より優先度の高いプロセスが waiting 状態となった。課題 1 におけるプロセスの状態遷移図では、 状態数が 3 であるため、 合計 6 (= 3 x 2) 通りの遷移が考えられる。 状態遷移図に 4 通りの遷移しか示されていないのはなぜかを説明せよ。
以下の資料を読み、 2025-04-18 の課題 3 と同じように、 資料中の E4 (2 スレッド版) および E5 (2 プロセス版) におけるプリエンプティブ・マルチタスキングの動作を、 「ミニ CPU 係」と「オペレーティングシステム係」の 2 人がペアになってシミュレートせよ。
資料: 「ミニ CPU」 によるスレッドとプロセスの理解
https://lsnl.jp/~ohsaki/lecture/os/2025/priv/mini-cpu-process.pdf課題 3 におけるスレッドとプロセスのトレース結果をもとに、 スレッドの利点・欠点が以下のように説明される理由を説明せよ。
Threads vs processes
https://en.wikipedia.org/wiki/Thread_%28computing%29#Threads_vs_processes
- Lower resource consumption of threads
- Simplified sharing and communication of threads
- Thread crashes a process5
※ 5 が正解であること、 それ以外が正解でないことを論理的に説明できるようにせよ。
blocked → running: blocked 状態は OS のスケジューリング対象ではないから
waiting → blocked: waiting 状態では OS に入出力を要求できないから
省略
- Lower resource consumption: E4 (2 スレッド版) では 「ノート」(メモリ) を切り替える必要がないから。
- Simplified sharing and communication: E4 (2 スレッド版) では 「ノート」上の値を 2 つのスレッドが共有できるから。
- Thread crashes a process: E4 (2 スレッド版) では一方のスレッドが他方のスレッドが使う「ノート」を破壊できるから。
[授業中に使用] オペレーティングシステム CTF (パスワードが必要です)
https://lsnl.jp/~ohsaki/lecture/os/2025/priv/ctf.html「レポート課題 2025-04-11」と同じ。
https://lsnl.jp/~ohsaki/lecture/os/2025/#10-10