プログラムが実行される前に、オペレーティングシステム内でさまざまな処理が行われます。これらの処理は、プログラムが適切に実行されるための準備段階です。この過程を理解することは、コンピュータの動作を深く理解するうえで非常に重要です。以下では、オペレーティングシステムがプログラムを実行する前に行う主要な操作について詳述します。
1. プログラムのロード
プログラムが実行される前に、オペレーティングシステムはプログラムの実行ファイルをメモリにロードします。これには、次のようなプロセスが含まれます。
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ファイルシステムの確認
オペレーティングシステムは、プログラムが保存されている場所を特定するために、ファイルシステムを調べます。プログラムが保存されているディスク上のファイルが見つかると、そのファイルをメモリにロードします。 -
メモリの割り当て
オペレーティングシステムは、プログラムに必要なメモリ領域を割り当てます。このメモリ領域には、プログラムの実行コード、データ、スタックなどが含まれます。 -
仮想メモリ管理
実際の物理メモリのサイズがプログラムの要求するメモリよりも小さい場合、オペレーティングシステムは仮想メモリを使用して、必要なデータをディスクからメモリに動的にロードします。これにより、物理メモリが不足していてもプログラムの実行が可能になります。
2. プロセスの生成
プログラムがメモリにロードされた後、オペレーティングシステムはそのプログラムをプロセスとして実行する準備を整えます。プロセスとは、実行中のプログラムのことです。プロセス生成の主なステップは次の通りです。
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プロセス制御ブロック（PCB）の作成
オペレーティングシステムは、プログラムが実行中の状態を追跡するために、プロセス制御ブロック（PCB）を作成します。PCBには、プロセスの状態（実行中、待機中、終了など）、プログラムカウンタ（次に実行する命令のアドレス）、レジスタの値、メモリ管理情報などが含まれます。 -
プロセスIDの割り当て
各プロセスには一意の識別子（PID）が割り当てられます。これにより、オペレーティングシステムは複数のプロセスを区別し、管理することができます。
3. リソースの準備
プログラムの実行に必要なリソースが準備されます。これには、CPU、メモリ、ファイルシステム、ネットワーク接続などが含まれます。
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CPUのスケジューリング
オペレーティングシステムは、複数のプロセスが同時に実行される場合、どのプロセスを次に実行するかを決定します。これにはスケジューリングアルゴリズムが使用されます。スケジューリングは、プロセスの優先順位や実行時間に基づいて行われます。 -
I/Oリソースの確保
プログラムがファイルやネットワークなどの入力/出力操作を行う場合、オペレーティングシステムはこれらのリソースを管理し、プログラムが適切にアクセスできるようにします。
4. 実行の開始
リソースが準備され、プロセスが生成されると、オペレーティングシステムはプログラムの実行を開始します。これには次のステップが含まれます。
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コンテキストスイッチ
プロセスが実行を開始する際、オペレーティングシステムは現在の実行状態を保存し、新しいプロセスを実行状態に変更します。これをコンテキストスイッチと呼びます。この切り替えにより、システムは複数のプロセスを並行して実行できるようになります。 -
プログラムカウンタの更新
プログラムが実行を開始すると、オペレーティングシステムはプログラムカウンタを次の命令の位置に設定し、CPUに命令を実行させます。
5. エラーチェックとデバッグ
プログラムの実行中にエラーが発生した場合、オペレーティングシステムはエラーメッセージを表示したり、プロセスを停止させることがあります。これにより、プログラムの誤動作や予期しない動作を防ぎ、システムの安定性を保つことができます。
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エラーハンドリング
例えば、プログラムがアクセスできないメモリ領域を参照した場合や、無限ループに入ってしまった場合、オペレーティングシステムはエラーハンドリング機構を介して適切な処置を取ります。 -
デバッグツールの使用
開発者がプログラムをデバッグしている場合、オペレーティングシステムはデバッグツールを提供し、プログラムの挙動を監視し、エラーを修正する手助けをします。
まとめ
プログラムの実行前には、オペレーティングシステムによって多くの準備作業が行われます。これにはプログラムのロード、プロセスの生成、リソースの準備、実行の開始などが含まれます。これらの処理は、プログラムが安定して効率よく実行されるために必要不可欠なものであり、コンピュータシステムの円滑な動作を支える基盤となっています。