Transcript 講義資料 - 堀山研究室

基本情報技術概論 (第10回)
基本ソフトウェア (OS) (前回の続き)
システムの信頼性
埼玉大学 理工学研究科
堀山 貴史
1
前回の復習
・ 制御プログラム （ジョブ管理、タスク管理、記憶管理）
・ 言語プロセッサ
（コンパイラ、アセンブラ、インタプリタ）
・ サービスプログラム
ハ
ー
ド
ウ
ェ
ア
システム
ソフトウェア
基本
ソフトウェア
（ＯＳ）
ミドル
ソフトウェア
（ユーザインタフェース）
応用
ソフトウェア
アプリ
ケーション
ユーザ
2
前回の復習 (コンピュータの構成)
CPU
制御装置
入力装置
演算装置
主記憶装置
出力装置
補助記憶装置

主記憶 (main memory, メモリ) に、
プログラムとデータを置く
3
記憶の管理



主記憶に 複数のプログラム を置きたい
主記憶よりも 大きなサイズのプログラム を扱いたい
実記憶管理
_________________
プログラムから、実際の主記憶 (の大きさや番地) が見える


スワッピング方式 / オーバーレイ方式
仮想記憶管理
_________________
プログラムからは、仮想記憶が見える
OS が、仮想記憶と実記憶とを対応させる

セグメント方式 / ページング方式
4
実記憶管理（１） ________________
スワッピング方式

主記憶に複数のプログラムを置きたい
スワップアウト
1. スワップ
プログラム Ｄ
アウト
実行に関係のない
プログラムを、
主記憶から
待避させる
プログラム Ｃ
プログラム Ｂ
プログラム Ａ
ＯＳ
主記憶装置
2. 空き領域
に ロード
プログラム Ｅ
補助記憶装置
新しいプログラム
を実行したい
5
実記憶管理（１） スワッピング方式

主記憶に複数のプログラムを置きたい
スワップイン
プログラム Ｅ
スワップ
＿＿＿
イン
プログラム Ｄ
プログラム Ａ
ＯＳ
主記憶装置
実行を
再開したい
補助記憶装置
スワップアウト
されていた
プログラムを
主記憶に戻す
主記憶に空きが
なければ、
他のプログラムを
スワップアウト
6
実記憶管理（２） ________________
オーバーレイ方式

主記憶よりも大きなサイズのプログラムを扱いたい

実行するプログラムを、セグメントに分ける
（OS ではなく） プログラム自身が
ロードのタイミングを指定

ルート
セグメント
セグメント Ａ
セグメント Ｃ
セグメント Ｂ
セグメント Ｄ
※ ＡとＢ、ＣとＤは同時に使わない
必
要
な
最
大
サ
イ
ズ
ルート
Ａ
Ｂ
Ｃ
Ｄ
主記憶装置
7
用語：

フラグメンテーション (断片化)
OS が記憶領域の割当てと開放を繰り返す
→ こま切れの未使用領域 (断片)
合計では十分な空き領域があるが、
こま切れのため、使えない
プログラム Ｅ
プログラム Ｄ
ＯＳ
？
プログラム Ｆ
主記憶装置
8
仮想記憶

主記憶よりも大きなサイズのプログラムを扱いたい

OS が必要な所を必要に応じてロードしてくれると便利

OS が主記憶よりも大きなサイズの記憶空間を
仮想的に用意する （仮想記憶という）

プログラムは、実記憶 (のサイズや番地) を気にしなくてよい
実
記
憶
分割 Ｅ
分割 Ｃ
分割 Ａ
ＯＳ
主記憶装置
ＯＳ が、
必要に応じてロード
補助記憶装置
分割 Ｄ
分割 Ｃ
分割 Ｂ
分割 Ａ
仮想記憶
プ
ロ
グ
ラ
ム
9
仮想記憶管理（１） ________________
セグメント方式

セグメント … 論理的に意味のある、分割単位

プログラムをセグメントに分割して、OS が管理
セグメントのサイズは、可変
（フラグメンテーションが起きる可能性あり）

10
仮想記憶管理（２） ________________
ページング方式

ページ … サイズ固定の分割単位

プログラムをページに分割して、OS が管理

ページフォルト


必要なページが、実記憶に配置されていない
ページ置き換え



ページフォルトが発生したら
必要ないページを補助記憶に待避 （ページアウト）
必要なページを主記憶にロード
（ページイン）
_____________
11
ページ置き換えアルゴリズム FIFO
First-In First-Out

どのページを必要ないと判断するか


F I FO … 最初に入ったページが、最初に出ていく
次の仮想ページの参照に対し、実記憶の状態は
F I FO により どのように変化するか示しなさい。
割当て
ステップ
1
2
3
4
5
6
参照する
実記憶の状態
仮想ページ
1
1
4
1
4
2
1
4
2
1
5
1
(H18年度 秋 改変)
参考： Belady の例外
実記憶の割当て量を
増やすと、かえって
ページフォールトが
増えることがある
12
ページ置き換えアルゴリズム LRU
Least Recently Used

どのページを必要ないと判断するか

LRU … 最も長く使われていないページを捨てる
(最後に参照されてからの時間が最も長いページ)

次の仮想ページの参照に対し、実記憶の状態は
LRU により どのように変化するか示しなさい。
割当て
ステップ
1
2
3
4
5
6
参照する
実記憶の状態
仮想ページ
1
1
4
1
4
2
1
4
2
1
5
1
(H18年度 秋 改変)
13
用語：

スラッシング
実記憶が極端に小さいと …
⇒ ページング （ページイン と ページアウト） が
頻繁に発生
⇒ 処理時間のほとんどがページング、
プログラム実行のスループットが極端に低下
14
用語：

時間的局所性


参照の局所性
今 参照されている箇所は、
近い将来 にも参照される可能性が高い
空間的局所性

今 参照されている箇所の 近くの場所 が、
参照される可能性が高い
※ 仮想記憶やキャッシュは、
これらの局所性のおかげで有効に機能する
15
ソフトウェアの基礎
16
プログラミング言語 （プログラム言語）

汎用プログラミング言語
 低レベル言語
 機械語 （マシン語） … 01 で作った命令 （CPUが解釈する）
 アセンブリ言語 … 機械語の命令に名前をつけて分かり易くしたもの
（機械語と１対１対応）

高級言語 （高レベル言語） … 計算機アーキテクチャに依存しない
 C、Fortran 等 （手続き型言語） …処理手順を順番に書いた手続きを
単位としてプログラムを作る

C++、Java 等 （オブジェクト指向言語） …オブジェクトを単位として
プログラムを作る


LISP （関数型言語）、Prolog （論理型言語）
スクリプト言語
 Perl、Ruby、Postscript など
データと、それに対する
操作（メソッド）
17
言語プロセッサ

コンピュータは機械語（01の並び）しか実行できない

他の言語で書かれたプログラムは？
言語プロセッサで、ソースプログラムを、
機械語で書かれた目的プログラムに変換



アセンブラ … アセンブリ言語を機械語に１対１対応
コンパイラ … 高級言語を機械語に変換
インタプリタ … スクリプト言語を、コンパイルせずに
実行時に命令を１つずつ順番に解釈
（会話的実行に優れる）
18
用語集：

プログラムの特徴
再配置可能 (relocatable)
________________
 主記憶のどこに配置しても、実行可能
例) 分岐先アドレスが○○番地に固定
… 再配置可能ではない
→ 相対アドレス指定にする

主記憶
プログラム
プログラム
再帰的 (recursive)
________________
 手続きの内部から自分自身を呼び出すことができる
例) 階乗の計算
４！ （つまり ４ ｘ ３ ｘ ２ ｘ １）
= ４ ｘ ３！
f ( n ) ｛ if (n == 1) then 1 else n x f ( n – 1 ) ｝
19
用語集：

プログラムの特徴 (2)
再入可能 (re-entrant)
________________
 複数のタスクによって同時に実行されても、
それぞれに正しい結果を返す
タスク Ａ
データ領域 Ａ
手続き部分
タスク Ｂ

データ領域
（変数格納など）を
分ける
データ領域 Ｂ
再使用可能 (re-usable)
________________
 逐次再使用可能ともいう
 主記憶上の同じプログラムを、複数のタスクが
１つずつ順番に実行できる
実行前か後に、データ領域を初期化する仕組みがある
20
計算機システムの信頼性
21
用語集：

信頼性の高いシステム
フォールト トレラント (fault tolerant)
___________
 一部が故障しても、本来の機能を維持する
例) 連続稼動が必要なシステム、人命にかかわるシステム

___________
フェイル
セーフ (fail safe)

故障が発生した時に、安全を維持する
例) エレベータのブレーキ制御が故障したら、自然とブレーキがかかる

___________
フェイル
ソフト (fail soft)

故障が発生しても、(機能が全面停止せずに)
必要最小限の機能を維持する
例) 飛行機のエンジンが故障しても、滑空して緊急着陸する
22
用語：
初
期
故
障
偶
発
的
な
故
障
消
耗
故
障
→
→
故
障
頻
度
バスタブ曲線
→
時間
23
システムの稼働率



平均故障間隔 (Mean Time Between Failure)
平均修理時間 (Mean Time To Repair)
稼働率 =
MTBF
___________
MTBF + MTTR
稼動
故障
MTBF
MTTR
稼動
故障 ・・・
24
直列構成のシステム

システム Ａ
システム Ｂ
稼働率 0.9
稼働率 0.8
稼働率 = Ａの稼働率 x Ｂの稼働率
例) 0.9 x 0.8 = 0.72
25
並列構成のシステム
システム Ａ
稼働率 0.9
システム Ｂ
稼働率 0.8

故障 = Ａが故障 ∧ Ｂが故障

稼働率 = 1 - （ 1 - Ａの稼働率 ） x （ 1 - Ｂの稼働率 ）
例) 1 – (1 - 0.9) x (1 - 0.8) = 1 – 0.1 x 0.2 = 0.98
注： 稼動状態を全部考えても良い
Ａ 稼動 Ｂ 稼動、Ａ 稼動 Ｂ 故障、Ａ 故障 Ｂ稼動
0.9 x 0.8
+ 0.9 x 0.2
+ 0.1 x 0.8
= 0.98
26
直列と並列の混ざったシステム
Ｂ
Ｃ
Ａ
Ｄ

部分ごとに、順番に稼働率を計算
27
練習問題：
直列と並列の混ざったシステム
以下のシステム全体としての稼働率はいくらか。
ここで、A ～ C の稼働率は、すべて 0.8 とする。
(H19年度 秋)
A
C
B
28
29
30
練習問題：

フラグメンテーション (断片化)
(H19年度 春 改変)
モジュール A ～ E を次の順で操作する。
操作終了時点で、 主記憶の空き領域は何か所存在するか。
ここで、主記憶は 500 kB、初期状態では何もロードされて
いない。また、モジュールは空き領域の先頭からロードする。
[操作] A ロード → B ロード → C ロード → B 解放
→ D ロード → A 解放 → E ロード
モジュール 大きさ (kB)
A
200
B
100
C
150
D
80
E
90
31
32
33
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


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図の著作者
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その他
 堀山 貴史
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