情報工学科　3年生対象　専門科目 システムプログラミング 第1回　導入 第２回 Linux、分割コンパイル 情報工学科 篠埜　功

講義計画 OSの授業で学んだことをプログラミングを通して体験することを目的とする。 スクリプト言語を用いたプログラミング システムコールを使ったプログラム作成 ファイル操作 プロセス シグナル プロセス間通信 簡易なweb serverを作成する

参考書 C言語によるUNIXシステムプログラミング入門，河野清尊 著，オーム社 ¥2940（税込）

成績評価 レポート課題（数回、４割程度） 期末試験（６割程度） 特別な理由が無い限り，追試などは行わない

連絡先 篠埜 功 居室: 豊洲校舎 14階 14K32 E-mail: sasano@sic.shibaura-it.ac.jp 篠埜　功 居室: 豊洲校舎 14階 14K32 E-mail: sasano@sic.shibaura-it.ac.jp 講義用ページ: http://www.sic.shibaura-it.ac.jp/~sasano/lecture/lecture.html 　　　ここへスライドのファイルを置く。授業の日程もここに記述する。

Operating Systemとは コンピュータのハードウェアを人間にとって使い易い形にして提供するプログラム ハードウェアの抽象化 ハードウェア資源の管理 複数のプログラムが同時に要求を出した場合などに対応 ハードウェア資源を効率的に利用 複数のプログラムが同時並行で動いているとき

講義の前提 オペレーティングシステムの講義内容の基本的な部分を理解している C言語によるプログラミングに慣れている 関連科目 オペレーティングシステム，プログラミング入門１，２

本講義の概要 OSについてLinuxを例として体験的に学習 Linux上で、シェル、C言語によるシステムプログラミング Windows ソースコードが公開されている ソースコードが非公開 ※情報工学科ではLinuxなどのUnix系OSに触れておくのは必須。

学習目標 オペレーティングシステムが提供するシステムコールを用いるプログラムが書けるようになる。 ネットワーク、ファイル操作等 ・プログラミングの幅（自由度）を広げることができる ・よりOSに近いレベルのプログラム開発を通して 　OSの機能に対する理解度を深めることができる

システムコール システムコール カーネル：Linuxの核をなす部分。ハードウェア、プロセスの管理をする。 カーネル(kernel) ソフトウェア 我々が書く通常の プログラム システムコール カーネル：Linuxの核をなす部分。ハードウェア、プロセスの管理をする。 プログラムからシステムコールを呼び出すことにより、Linux kernelが管理しているハードウェア（ハードディスク、ネットワーク等）にアクセスしたり、他のプロセスと通信を行ったりすることができる。通常は直接システムコールは呼ばず、ライブラリ関数を呼び出す。（ライブラリ関数の中でシステムコールが呼ばれる。）

システムコールの例 User program Data File ・・・・・・・・・・・ ・・・・・・・・・・・ fscanf() read

シェル ユーザーとUNIXシステムの間のインタフェースとして機能するプログラム コマンド入力を受けつけ、解釈し、実行する。 csh, bash, tcsh等がある。 [課題] fingerコマンドで各自の使用しているシェルを確認せよ。 $ finger sasano のように、自分のユーザ名を引数として与えればよい。

シェルスクリプト ファイルに保存しておいてプログラムのように実行することができる（シェルスクリプト） シェルでは変数や繰り返し機能を用いることができる。 少し複雑な処理はC言語などでプログラムを書かなくても、シェルの機能で簡単に行うことができる。 ファイルに保存しておいてプログラムのように実行することができる（シェルスクリプト）

シェルスクリプトの例 あるディレクトリ中の、拡張子が.cのファイルすべてに対して、.bakという拡張子をつけてバックアップをとる。以下の内容のファイルをbackup.shという名前で作成せよ。 #!/bin/sh for file in *.c do echo $file cp $file $file.bak done exit 0

課題 ディレクトリを一つ作成し、そのディレクトリ内に.cを拡張子とするファイル（中身は何でもよい）を３つ程度作り、作成したシェルスクリプトをそのディレクトリで実行して確認せよ。

シェルスクリプトの利点 豊富なUNIXコマンド群を有効活用 例えば ディレクトリ内にある画像ファイル全てに対して，プログラムによりある処理を施したい ディレクトリ内にある画像ファイルのみを抽出，繰り返し演算 複数のファイルから，ある特定の文字列を含むファイルのみに対して何らかの処理をしたい 文字列検索による該当ファイル抽出，繰り返し演算

UNIXの誕生 UNIX AT＆T ベル研究所で1970年代に開発。 当時、MulticsというOSが複雑になり過ぎており、単純なOSを作りたいということで作られた。 最初はアセンブリ言語で書かれていたが、当然移植性が悪かった。移植性を高くするためにC言語が開発され、CでUnixが書きなおされた。Cは高級言語であり、かつ細かい処理も書け、システムプログラミングに最適。

/bin/cshについて連絡 芝浦工大の環境において、/bin/cshは/bin/tcshへのリンクになっていました。

ユーザインタフェース（１） （参考書1.1節） GUI (Graphical User Interface) 画面でメニューやアイコンなどを見ながらマウスなどを使って操作 コマンド名を覚えなくてもアイコンで分かる。(たとえば、Word, Internet Explorerの起動アイコンなど） 1973年 XeroxがAlto（アルト）を開発。初めてGUIを搭載したコンピュータと言われている。 Apple社のMacintosh、Microsoft社のWindows、UNIX系OSのデスクトップ環境(X Window System上)

ユーザインタフェース（２） CLI (Command Line Interface)あるいはCUI (Character User Interface) MS-DOSにおいては、 C:\> などのプロンプトに続いてユーザがコマンドを入力 UNIX系OSにおいては、シェルのプロンプトに続いてユーザがコマンドを入力 コマンド名を覚えなければならない。 Windowsにおいては、MS-DOSのウィンドウ, UNIX系OSのデスクトップ環境においては、端末エミュレータのウィンドウを開くことによりCLIとなる。

GUIとCLIの比較(1) GUIは、マウスなどのポインティングデバイスを用いるので操作に時間がかかる。 （例）短い内容のテキストファイル(This is a test. など)を作成する場合 GUIでは、メインメニュー -> プログラム -> アプリケーション -> テキストエディタ ---- データ入力 ---- ファイル -> 名前を付けて保存 -> 名前の入力 -> 終了 CLIの場合（今、試しに行う。） $ cat > test.txt This is a test. <CTRL-Dを入力> $

GUIとCLIの比較(2) シェルのパイプ機能を使って、複数のコマンドをつなぎあわせて実行したりできる。 （例） lsでファイルが多すぎるときに一画面文ずつ表示 $ ls | less シェルのリダイレクト機能を使って入力元や出力先を切り替える (例) カレントディレクトリのファイル名一覧をファイルに書き出す $ ls > filelist.txt

Linuxの誕生 Linux Finland, ヘルシンキ大学の大学院生，Linus Torvalds（ライナス・トーヴァルド氏）開発，1991年 MINIX（Andrew Tanenbaumが教育用に作成したUnix風OS）を実用化しようとしたが，了承が得られず、Linusが自分で一から開発。インターネット上の多くのUNIXプログラマも協力し，発展

Linuxの特徴 GPLというライセンスに基づいて、誰でも自由に改変・再配布することが可能 他のOSに比べ、低い性能のコンピュータでも軽快に動作 ネットワーク機能やセキュリティーに優れ、安定 必要な機能だけを選んでOSを構築可能 システムの構築・運用に必要なソフトウェア群（コマンド、インストーラ、ユーティリティ）とともに配布。カーネルとこれらのソフトウェアをまとめた配布パッケージをディストリビューション(distribution)という

Linuxの特徴 オープンソース GPL(GNU General Public License) --- copyleft ソースコードが公開されている GPL(GNU General Public License) --- copyleft 改変等は自由だが、改変後の配布時にソースコードを開示しなければならない。 (参考) BSD license (Berkeley Software Distribution License)はcopyleftではない。OSではFreeBSDなど、OS以外ではPostgreSQLなどがBSD license。BSDをベースにしたライセンス（BSD style lisence）ではApache、Python等。

Copyright と Copyleft 使用許諾契約書 Copyleft 通常の商用ソフトウェアは，ソフトウェアの使用に関しての制限を設ける Copyleft フリーソフトウェアの使用に関して他者が制限を設けることを禁じる GPLに従って配布されているソフトウェアの例 gcc：　Cコンパイラ emacs: テキストディタ

C言語プログラミング （参考書1.2節） コンパイラとインタプリタ Cコンパイラ（gcc）の使い方 Cコンパイラの処理の流れ（詳細） 静的リンクと動的リンク

コンパイラとインタプリタ （参考書1.2.1節） コンパイラ(compiler) インタプリタ(interpreter) コンパイラとインタプリタ （参考書1.2.1節） コンパイラ(compiler) ある言語のプログラムを別の（低レベルの）言語のプログラムに翻訳(translate)するプログラム 変換前のプログラム：ソース（原始）プログラム 変換後のプログラム：オブジェクト（目的）プログラム インタプリタ(interpreter) プログラムを直接、解釈実行するプログラム。ある言語のインタープリタは、その言語を解釈実行する機械（であるように振る舞うソフトウェア）。

コンパイラ プログラムを翻訳 オブジェクトプログラムを生成 コンパイラ アセンブラ C，Fortran，COBOLなどの高級言語を機械語に翻訳。アセンブラを内部で呼び出す。 アセンブラ アセンブリ言語を機械語に翻訳 ソースプログラム C，Fotran，COBOL アセンブリ言語 コンパイラ アセンブラ オブジェクト プログラム 機械語

インタプリタ ソースプログラムを直接解釈して実行 BASIC, Java Script, Perl, Ruby等。 ソースプログラム BASIC，Perl, Java Script, Ruby 【解釈、実行】

コンパイラの構成 字句解析 構文解析 オブジェクト コード 種々のフェーズ

コンパイル方式 vs インタプリタ方式 実行速度 コンパイル方式 >> インタプリタ方式 コンパイル方式　>>　インタプリタ方式 コンパイル方式：機械語に翻訳してから実行 インタプリタ方式：直接解釈して実行 コンパイル方式の方が実行速度は高速 実行の手間 コンパイル方式　<　インタプリタ方式 コンパイル方式：プログラムを修正したらコンパイルし直す必要がある。 インタプリタ方式：プログラムを修正後、すぐ実行できる。 移植性 （参考） Java Virtual Machine

インタプリタ方式の普及 CPU速度の向上 移植性 コンパイル方式：機械語に変換（CPU、OSに依存） インタプリタ方式：同一のプログラムが全てのコンピュータで動かせる

gcc(GNU C Compiler)の使い方 (参考書1.2.2節) （$ man gcc で使い方が表示される。） Optionの例 （オプションは書かなくてもよい。） -o name 実行ファイルをnameという名前で生成 -c 分割コンパイル（リンクはしない） -lxxx ライブラリファイルlibxxx.a を検索。libc.aはdefaultでリンク。libm.aは算術演算 ライブラリで，-lmで指定。 　　$ gcc –print-file-name=libm.a でリンク時に使われるlibm.aの絶対パスが表示される。 filenameの拡張子（gccは拡張子によって処理を切り替える） xxxx.c C言語ソースファイル xxxx.s アセンブリ言語ソースファイル（-S オプション) xxxx.o オブジェクトファイル（-c オプション） 他にも拡張子がいくつかある。

ライブラリ ライブラリ 再利用を目的として作成されたコンパイル済み関数群（例：mathライブラリ libm.a 等） 置き場所 /lib, /usr/lib など。 gccはデフォルトでは標準Cライブラリ(libc.a)内の関数しか検索しないため，追加したいライブラリがある場合には明示的に指定する。 算術ライブラリ使用例：　 gcc program.c -o program /usr/lib/libm.a もしくは 　　　　 gcc program.c -o program -lm　 (リンカがlibm.aを検索する) -Lオプションでライブラリを探すディレクトリを追加指定できる。

ライブラリ 静的ライブラリ オブジェクトファイルの集合体(拡張子***.a) 例：　/usr/lib/libc.a(標準Cライブラリ), /usr/lib/libm.a（算術ライブラリ） ライブラリに格納されているプログラムで使う場合， 関数を宣言しているヘッダーファイルをインクルード プログラムコードとライブラリがリンカによって結合され， １つの実行可能プログラムを生成 動的リンクライブラリ dynamic link library（あるいは共有ライブラリ shared library）がある。（次回説明） Linuxでは拡張子は.so、windowsでは.dll リンク時ではなく、プログラム実行時にメモリー上にロードされる。これにより、実行形式ファイルのサイズが小さくなる。

ヘッダーファイル ヘッダーファイル ライブラリ関数の型の宣言等が記述されているファイル。プリプロセス時に読み込む。 Cの場合 stdio.h (標準入出力ヘッダー) stdlib.h (標準ライブラリヘッダー) math.h (算術関数用ヘッダー) /usr/include, その下のサブディレクトリ -I(エルの小文字ではなく、アイの大文字)オプションでヘッダーファイル検索ディレクトリを追加指定できる。

分割コンパイル C言語プログラムを一つのファイルに全部書くのではなく、複数のファイルに分けて記述する。 それぞれのCファイルは個別にコンパイルできる（分割コンパイル）。.oファイルが生成される。 $ gcc –c test.c などを実行すると、test.oというファイルが生成される。 再配置可能なコードが生成される。リンク時に解決。 一つのファイルを修正した場合、他のファイルのコンパイルをやり直さなくてよいので、修正時のコンパイル時間が短縮される。（ただし、リンクのやり直しは必要）

分割コンパイルによるコンパイル手順(例） ２つの整数値(int型)の足し算を行う関数addを定義したC言語ファイルadd.cを作成し、分割コンパイル（add.oが生成される） $ gcc -c add.c ヘッダファイルの作成 関数addのプロトタイプ宣言 int add (int, int); を記述したファイルadd.hを作成 add関数を呼び出すmain関数を記述したC言語ファイルmain.cを作成 add.hをインクルード (#include “add.h” をファイルの先頭に記述) gcc -c main.c リンクし、実行形式ファイルをmainというファイル名で作成 ・　 gcc -o main main.o add.o

演習課題 ２つのint型の足し算をする関数addを定義したCファイルadd.cを作成 add関数のプロトタイプ宣言をadd.hに作成 add (3,4) のような計算を行うmain関数をmain.cに記述 さきほどの手順で、分割コンパイルをし、リンクして実行形式ファイルmainを作成 mainを実行

ライブラリの作成 ライブラリ化したい関数を記述したソースファイルを作成。（add.c, mult.cなど） アーカイバ ar でアーカイブを作成 関数のプロトタイプ宣言を記述したヘッダーファイルを作成

ライブラリ（アーカイブ）作成手順（例） 複数のオブジェクトファイルをアーカイバ ar を用いて一つのファイルにまとめる。(ar はオブジェクトファイルに限らず使えるが、普通はライブラリ作成に用いる。) add.o, mult.o からアーカイブ libaddmult.a を作成 ar crv libaddmult.a add.o mult.o addとmultのプロトタイプ宣言をaddmult.hに作成 リンク $ gcc -L. main.o -laddmult あるいは $ gcc –L. main.c –laddmult でもよい。 あるいは $ gcc main.c libaddmult.a でもよい。 （実行ファイルをa.out以外にする場合は-oオプションで指定） （参考）ライブラリや実行可能プログラムに含まれる関数を調べるコマンド（nm）が使える。

演習課題 ２つのint型の足し算をする関数addと掛け算をする関数multをadd.c, mult.cに作成 add.o, mult.oをarでまとめてlibaddmult.aを作成　 mult (add (3,4), 3)のような計算を行うmain関数をmain.cに記述 リンクして実行