【オペレーティング・システム】OSの種類と特徴、OSの機能など

OSの種類と特徴、OSの機能、多重プログラミング、仮想記憶、ジョブ管理、プロセス/タスク管理、データ管理、入出力管理、記憶管理、割込み、ブートについてまとめました。

【OSの種類と特徴】

種別	概要
マイクロカーネルアーキテクチャ	OSが提供する機能をメモリ管理やタスク管理など最小限の機能に絞り、他の機能はサーバプロセスとして実現する設計手法です。
モノシリックカーネル	マイクロカーネルとは逆にカーネル自体に多機能を持たせたもの。

【OSの機能】

機能	説明
ポーリング制御	ループにより各部の情報を一定時間ごとに順番に収集し、その情報をもとにソフトウェアの状態を判断して処理を行う制御方式です。システム上でいつ発生するか分からないイベントを監視する目的で設定されます。CPUが状態レジスタ又はビジー信号などを読み出して，入出力装置の状態を監視したりします。
割込み	実行中の処理を一時的に中断して，緊急度の高い別の処理を実行する。
タスク間同期制御	送信側のタスクがメモリにデータを格納し，受信側のタスクにそのアドレスを伝える。
排他制御	複数のタスクが利用する共有資源を，一つのタスクが占有できるようにする。
デッドロック	デッドロックは、共有資源を使用する2つ以上のプロセスが、互いに相手プロセスが必要とする資源を排他的に使用しているときに、互いのプロセスが相手が使用している資源の解放を待っている状態です。デッドロックの発生を防ぐには共有資源の占有順序を同じにします。資源獲得の順序を逆にするとデッドロックが発生しやすくなります。

【多重プログラミング】

【仮想記憶】

手法	仮想記憶
ページング方式	仮想アドレス空間をページと呼ばれる固定長の長さに分割し、ページ単位でアドレス変換を行う仮想記憶方式。固定長なのでフラグメンテーション(メモリの断片化)は発生しません。プログラム実行時のページフォールトを契機に、ページをロードするのに必要な主記憶が割り当てられます。
スラッシング方式	仮想記憶方式のシステムでは、主記憶が少ない状態で多くのプログラムを同時に実行すると、ページング処理が多発しシステムのオーバーヘッドが増加します。その結果アプリケーションのCPU使用率が極端に低下します。
LRU	Least Recently Usedの略で、直近のうち最も長い間使用されていないページを置き換え対象とするアルゴリズムです。
インデックス方式のアドレス変換	小さなページテーブルをいくつか使って使用中の仮想空間の領域だけをカバーし、本当に必要なときだけに追加のページテーブルを作成します。

【ジョブ管理】

【プロセス/タスク管理】

用語	概要
マルチタスク	あるタスクの実行中、入出力命令の実行でCPUがアイドル状態になると、他のタスクにCPUを割り当てる。
プリエンプティブ方式	OSがCPUやシステム資源を管理し、CPU使用時間や優先度などによりタスクを実行状態や実行可能状態（待ち状態ではない）に切り替える方式。例えば、優先度がタスクA＞タスクBの場合、Aの実行中にBに起動がかかると、Bは実行可能状態となりAの実行が継続されます。Bの実行中にAに起動がかかる場合は、Bは実行可能状態に移されAにCPU使用権が移されます。
ノンプリエンプティブ方式	実行プロセスの切替をプログラム自身に任せる方式で、プログラムが自発的にCPUを開放した時点で他タスクの実行を開始する。OSがCPUを管理しないため、1つのプログラムの実行中は他のプログラムの実行は制限される。つまり、1つのタスクが実行し終えたら次の順番のタスクというように順次実行していく。
処理時間順方式	新しいタスクが実行可能状態になるたびに，各タスクの残りの実行時間を評価し，その時間が短いものから順に実行する。
ラウンドロビン方式	実行状態としたタスクが決められた時間内に待ち状態に遷移しないときに，そのタスクを中断して実行待ち行列にある次のタスクを実行状態とする。
優先順位方式	タスクが実行可能状態になったときに，そのタスクの優先度と，その時，実行状態であるタスクの優先度とを比較して，優先度が高い方のタスクを実行状態とする。

【データ管理】

手法	概要
LRU	「最後に参照された時刻が最も古い」データを置換対象とするアルゴリズム。Least Recently Usedの略。
FIFO	「最後にロードされた」データを置換対象とするアルゴリズム。First In First Out(先入先出し)の略。
LFU	「最も使用頻度(回数)の少ないデータ」を置換対象とするアルゴリズム。Least Frequently Usedの略。
LIFO	「最も新しくロードされた」データを置換対象とするアルゴリズム。Last In First Out(後入先出し)の略。

【入出力管理】

用語	概要
スプーリング	補助記憶装置を経由して、主記憶装置と低速の入出力装置との間のデータを転送し、システム全体の処理能力を高める

【記憶管理】

手法	記憶管理
スワッピング	実行中のプログラムが何らかの理由で停止したりして待ち状態が長く続く場合、そのプログラムを実行中のまま補助記憶装置に移動し、別のプログラムを補助記憶装置から主記憶に戻す処理。
ブロッキング	磁気ディスク装置(バリアブル方式)で複数の論理レコードを1つの物理レコードにまとめること。
スプーリング	出力データを補助ディスク装置に一度送り、そこから入出力装置にデータを転送する仕組み。CPUが低速な入出力装置の処理を待たなくて済みます。
ページング	仮想アドレス空間をページと呼ばれる固定長の長さに分割し、ページ単位でアドレス変換を行う仮想記憶方式。
ディスクキャッシュ	多数のバッファからなるバッファプールを用意し、主記憶にあるバッファにアクセスする確率を上げて補助記憶装置のアクセス時間を短縮する。
メモリリーク	コンピュータの動作中に使用可能な主記憶容量が徐々に減少していく状態。OSやアプリケーションのバグなどが原因で、動作中に確保した主記憶が解放されずに主記憶中の利用可能な部分が減少するために発生します。
オーバレイ方式	実行時のプログラム領域の大きさに制限があるとき、必要になったモジュールを主記憶に取り込む手法。
フラグメンテーション	主記憶で利用可能な空き領域の総量は足りているが、主記憶中に不連続に散在しているために、大きなプログラムをロードする領域が確保できない現象。
ガーベジコレクション	記憶領域上の不要な部分(ガーベジ:garbage、直訳はゴミ)を自動で回収してまわり、再利用できるようにする機能です。

【割込み】

用語	概要
割込み	実行中のプログラムを一時中断し、制御プログラムに制御を移す。

【ブート】

【信頼性特性と評価】

【経済性の評価】

【キャパシティプランニング】

【リアルタイムOS(RTOS)】

リアルタイムOS(RTOS)は、リアルタイム制御が必要とされるシステム用に特化したOSです。
リアルタイム制御とは、ジョブの実行が命令された時、限られた資源を使用し、その処理を決められた時刻(デッドライン)までに終了させる制御方式で、目標時間内に処理を完了させることが最重要となりますそのため重要度が高い、あるいはデッドラインが近いタスクに、より高い優先度を与えることで、実行するタスクの順序を強制的に入れ替えることのできる優先度制御方式が用いられます。