『試して理解 Linuxのしくみ』読書メモ (2)
続き。
第2章 ユーザモードで実現する機能
システムコール
ユーザモードのプロセスは、それ自身のコードやライブラリを介してシステムコールを呼び出し、次のようなOSの機能を利用する。
システムコールが呼び出されると割り込みが発生し、CPUは一時的にカーネルモードに遷移する。
カーネルはプロセスの要求（ハードウェアリソースを確保する量など）をチェックし、それが妥当であるときのみシステムコールを実行する。
strace
プロセスの発行するシステムコール呼び出しをstraceで確認できる。
次のhello worldプログラムを確認すると、28回のシステムコールが発行されており、そのほとんどはmain()の前後に実行されるものである（文字列を出力するのはwrite(1, "hello world\n", 12)）。
#include <stdio.h> int main(void) { puts("hello world"); return 0; }
$ gcc -o hello hello.c $ strace -o hello.log ./hello $ cat hello.log execve("./hello", ["./hello"], 0x7ffd8f809040 /* 55 vars */) = 0 brk(NULL) = 0x55ea759b6000 access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory) access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory) openat(AT_FDCWD, "/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3 ... fstat(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(136, 1), ...}) = 0 brk(NULL) = 0x55ea759b6000 brk(0x55ea759d7000) = 0x55ea759d7000 write(1, "hello world\n", 12) = 12 exit_group(0) = ? +++ exited with 0 +++
言語にかかわらず、カーネルに処理を依頼するときは最終的にシステムコールが発行される。
Pythonで同様のプログラムを実行すると、781回のシステムコールが発行されている。
#!/usr/bin/env python3 # -*- coding: utf-8 -*- print("hello world")
$ strace -o hello_py.log python3 ./hello.py hello world $ cat hello_py.log execve("/usr/bin/python3", ["python3", "./hello.py"], 0x7ffc7a46d748 /* 58 vars */) = 0 brk(NULL) = 0x2971000 access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory) ... write(1, "hello world\n", 12) = 12 ... sigaltstack(NULL, {ss_sp=0x298f810, ss_flags=0, ss_size=8192}) = 0 sigaltstack({ss_sp=NULL, ss_flags=SS_DISABLE, ss_size=0}, NULL) = 0 exit_group(0) = ? +++ exited with 0 +++
sar
現在CPUが行っている処理の種類と内訳は、sar (System Admin Reporter) コマンドで確認できる。
次では、sar -P ALL 1で各CPUコア（実行環境は4コア）の利用率内訳とその平均値を1秒ごとに取得し、<ctrl+C>で中断した時点までの平均値を出力している。
$ sar -P ALL 1 Linux 4.15.0-39-generic (***) 12/01/2018 _x86_64_ (4 CPU) 06:13:09 PM CPU %user %nice %system %iowait %steal %idle 06:13:10 PM all 9.98 0.00 3.24 0.00 0.00 86.78 06:13:10 PM 0 6.93 0.00 2.97 0.00 0.00 90.10 06:13:10 PM 1 16.00 0.00 3.00 0.00 0.00 81.00 06:13:10 PM 2 7.00 0.00 2.00 0.00 0.00 91.00 06:13:10 PM 3 11.11 0.00 3.03 0.00 0.00 85.86 ... ^C Average: CPU %user %nice %system %iowait %steal %idle Average: all 6.11 0.00 1.45 0.05 0.00 92.39 Average: 0 4.48 0.00 1.89 0.00 0.00 93.63 Average: 1 4.31 0.00 1.10 0.00 0.00 94.58 Average: 2 5.40 0.00 1.20 0.10 0.00 93.30 Average: 3 10.13 0.00 1.49 0.20 0.00 88.18
CPUモードと使用率
sarの出力から確認できる、各CPUモードのプロセッサ使用率は次の値となる。
- ユーザモード:
%user+%nice - カーネルモード:
%system
親プロセスのIDを取得するシステムコールgetppid()を無限ループするプログラムについて、バックグラウンドで実行し、CPU使用率を確認する。
#include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main(void) { for (;;) { getppid(); } }
$ gcc -o ppidloop ppidloop.c $ ./ppidloop & [1] 8232 $ sar -P ALL 1 1 Linux 4.15.0-39-generic (***) 12/01/2018 _x86_64_ (4 CPU) ... Average: CPU %user %nice %system %iowait %steal %idle Average: all 11.47 0.00 17.21 0.00 0.00 71.32 Average: 0 1.00 0.00 1.00 0.00 0.00 98.00 Average: 1 8.08 0.00 0.00 0.00 0.00 91.92 Average: 2 34.00 0.00 66.00 0.00 0.00 0.00 Average: 3 3.96 0.00 0.00 0.00 0.00 96.04 $ kill 8232
CPU2でプログラムが実行されており、ユーザ処理使用率（ループ処理）が34%、システム使用率（システムコール処理）が66%となっている。
所要時間の確認
strace -Tで、システムコールの処理にかかった所要時間を[us]精度で取得できる。
$ strace -T -o hello.log ./hello hello world $ cat hello.log execve("./hello", ["./hello"], 0x7ffe38853468 /* 58 vars */) = 0 <0.000565> brk(NULL) = 0x564aa7e4d000 <0.000523> ... brk(0x564aa7e6e000) = 0x564aa7e6e000 <0.000018> write(1, "hello world\n", 12) = 12 <0.000020> exit_group(0) = ? +++ exited with 0 +++
ここでは、write()の処理に20[us]かかっている。
ラッパー関数
システムコールはアーキテクチャに依存するアセンブリコードで呼び出す必要がある。
一例として、x-86_64アーキテクチャでのgetppid()呼び出しは次のアセンブリコードとなる（GNU Assembler表記）。
mov $0x6e, %eax syscall
OSは、高級言語で使用するためのシステムコールを呼び出すラッパー関数を提供している（このAPI自体もシステムコールと呼ばれる）。
標準Cライブラリ
Linuxで使われる標準Cライブラリは多くの場合GNU実装のglibc (GNU C Library) で、システムコールのラッパー関数およびPOSIX (Portable operating system interface) 準拠の関数を提供している。
プログラムがリンクしている共有ライブラリはlddで確認できる。
$ ldd ppidloop
linux-vdso.so.1 (0x00007fffd67e5000)
libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f877a539000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f877ab2c000)
上記のgetppid()を無限ループするプログラムでは、3種のライブラリがリンクされている。
