プロセスって何？

はじめに

• オペレーティングシステムの仕組みを読んで色々学んだことをメモ
• ときたまGolangの話題が出るかもしれません

そもそもOSは

• OSではマルチタスク機能によって、細かくプロセスを切り替えることで"同時に動かしてる様に見せる"
• 並列ではなく並行。
• Webブラウザやメーラーなど複数アプリを実行してるときマルチタスク機能を使っている。

プロセスって何？

• 実行状態にあるプログラム
• アプリは（複数の）プロセスから作られてる
• CPU（プロセッサ）は１度に１つのプロセスしか処理できない

プロセスの動き

• プロセスは実行準備、実行、待ちの３種類状態がある
• プロセスは常に1つのプログラムしか実行出来ないので、うまく切り替えてる。

プロセスの切り替えってどうやってるの？

• 切り替える手法は、プリエンプティブ方式と、ノンプリエンプティブ方式がある

プリエンプティブ方式と、ノンプリエンプティブ方式って何？

• プリエンプティブ：OSがプロセッサの実行権限を管理して、切り替える。現在のOSはこれ。
• ノンプリエンプティブ：プログラム自身に任せる。昔のOS。
  • ちなみにgoroutineはノンプリエンプティブ方式を使って切り替えてる

プロセスの実行スケジュール管理はどうやってるの？

• OSによって色々ある
• 例えば、ラウンドロビン方式：実行可能状態にあるプロセスを順番に実行す

プロセスとメモリの関係

• CPUは、指定したプログラムコードがある場所（アドレス）にジャンプする命令を持っている
• アドレスはメモリ 1byte
• CPUのビット数でアドレスの数が決まる
  • 32bit 2³² = 0xFFFFFFFF ≒ 4GByte
  • 64bit 2⁶⁴ = 0xFFFFFFFFFFFFFFFF ＝ 16EByte ≒ 172億GByte
  • までのアドレスを認識出来る（0xは16進数って意味）
• 誰も使っていないアドレスを探して利用する必要があるので、MMU（memory managemanet unit）がアドレス管理している
• CPUがプロセスを実行する際、そのプロセスが持っているアドレスに対して演算を行う

演算って何？

• 四則演算（足す、引く、かける、割る）
• 論理演算（AND・OR・NOT）
• など

MMUって何？

• プロセス毎に物理メモリ領域を確保->その領域にアクセスするための仮想アドレスを用意する
  • 同一OS内のすべてのプロセスは同一サイズの仮想アドレスを持つ
  • CPUの中にMMUと仮想アドレスがある。メモリ上にはない
  • プロセスが「メモリを使用する」宣言すると確保される
• プロセス->仮想アドレス->物理アドレス
  • このマッピング情報 = ページテーブルを管理
  • これにより、プロセスは物理領域を意識しなくてよい
  • 仮想アドレス空間、物理アドレス空間とかも呼ぶよ

仮想アドレスのメリットは？

• 他のプロセスからアクセスできないように制御されてるので、セキュア
• 物理メモリはバラバラでも、仮想アドレスは連続した領域のように扱えるため、メモリの隙間も有効に使える
• 図のように、同じ物理メモリをマッピングすることで、複数のプロセスでメモリを共有できる
  • 共有ライブラリのロードとか

複数のプロセスが共有してるデータにアクセスすると競合（レースコンディション）しない？

• もし、あるプロセスが共有メモリを読んでいるなら、 他のプロセスは「書きこみ終了するのを待つ 機構」を作る必要があるよね
• UNIXでは、そのようなプロセス間通信（IPC）に下記手法があるよ
  • セマフォ、Unixドメインソケット
  • メッセージパッシング
  • RPC
    
• 例えばセマフォ（排他制御）
  • 0,1の値を保持しておき、0の場合はアクセスNG、1の場合はアクセスOKなど。
  • 解放出来なかった（この場合だとずっと1にならない）場合、デッドロックって言うよ
• ちなみにGolangでは「メモリ共有より、メッセージ共有」を推奨している

プロセスがメモリに保持するデータってどんなの？

• 上位アドレスはCPUのビット数と、メモリの数によって変わる
  • 32bit OSだったら、2³² = 0xFFFFFFFF = 4GB（先ほども出ましたね）
• 大きく３つに分かれる
• ①テキストセグメント
  • 実行されるプログラム。
• ②データセグメント
  • 静的領域：定数、グローバル変数など。データ（初期化ありとBSS（初期化なし））がある
  • ヒープ：malloc()などで動的に確保。GCでクリア。
• ③スタックセグメント
  • スタック：CPUのレジスタを一時的に退避させたりする。ローカル変数を確保。上位アドレス側には引数と環境変数が置かれる。

スタックって何？

• 処理中のデータを一時的に退避（入れたり出したり）するデータ構造
• 最後に入った要素が最初に取り出されるのでLIFOともいう（Last-In, First-Out）
• 同じデータ構造のキューは最初に入った要素が最初に取り出されるのでFIFO(First-In, First-Out)という

空のスタック             [
Aをスタックに入れる       [A
Bをスタックに入れる       [A B
Bをスタックから取り出す    [A
]

malloc()って何？

• memoryをallocate（確保）するための関数
• 必要な量を必要なときに動的にヒープ領域に確保できるのがメリット
• 通信プログラムだと、クライアントが接続してきたときに、メッセージ交換に使うメッセージ用のバッファを動的に確保したり。
• クライアントが切断したら、free()で解放できるので、柔軟にメモリが使える。

スタック領域とヒープ領域

• どちらも実行時にメモリを確保する領域

	ヒープ	スタック
領域確保	動的 実行時確保	静的 コンパイル時確保
解放	手動	自動
容量	大	小
速度	遅	速

GCって何？

• ヒープ領域がいっぱいになると新しいオブジェクトがロード出来なくてプログラムが実行できない
• GCは、ヒープ領域に空きがなくなると、使用されてないオブジェクトを判別してメモリ上から消去する

スタックメモリって何？

• タスクや、関数内だけで使われる変数やアドレス情報を保持するメモリ領域
• タスクを終了する or 関数から抜けると、スタックの内容も破棄される

• この中にスタックを構築し、下記を保持していく。

  • スタックポインタ (SP): スタック領域のどこを見ているかを指す値
  • プログラムカウンタ (PC): プログラムのどこを実行しているかを指す値

• ちなみにGolangでは、スタックメモリが不足すると、新しいチャンクが確保されて追加されるので、スタックオーバーフロー（スタックにメモリを積み過ぎて死ぬ）は発生しにくい

Golangでスタックオーバーフローを起こすには？

package main

import "fmt"

func main() {
    var a []interface{}
    a = make([]interface{}, 0, 10)
    a = append(a,
        append(a, 1))
    fmt.Println(a)
}
// runtime: goroutine stack exceeds 250000000-byte limit
// fatal error: stack overflow
// ......