仮想という考え方

総合科目「IT革命を解き明かす」、2004年10月18日

                                       電子・情報工学系
                                       新城 靖
                                       <yas@is.tsukuba.ac.jp>

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■今日の重要な話

コンピュータの内部には、ハードウェア以外に、ソフトウェアの働きによってつくられたさまざまな幻影（オブジェクト、仮想的な「もの」）が存在する。
- ファイル
- プロセス
- ウインドウ
基本的な幻影を創っているソフトウェアが、オペレーティング・システムである。
コンピュータが発達してきて、「仮想(virtual)」という考え方が広がってきた。
- 仮想記憶(virtual memory)
- 仮想計算機(virtual machine)
- 仮想回線(virtual circuit)
- 仮想専用線(virtual private network)
- 仮想LAN(virtual LAN)
- 仮想現実(virtual reality)
基本的な幻影を創っているソフトウェアが、オペレーティング・システムである。
コンピュータに仕事をさせるには、代理人としてプロセスをつくる。

コンピュータをうまく使いこなすには、いくつかのコンピュータの内部にある幻影が存在すると信じることができるかどうかにかかっている。その中で、ファイルという幻影がもっとも重要である。

■幻影

人間は（コンピュータがなくても）さまざまな幻影を使っている。

愛、正義、根性
お金、国家
整数、実数、複素数
分子、原子、電子、陽子、中性子、クォーク

◆コンピュータの中の幻影

オブジェクト(object)

もの。コンピュータの中にはいっている人間(専門家)のようなもの。記憶ができる。コピーすると別のものになる。名詞。

機能。操作。

オブジェクトを操作するもの。動詞。

コピーする(通信)。
保存する。
加工する。選別する(フィルタリング)。

保存されたものは、オブジェクト。保存する行為は、機能。

幻影は、ハードウェアとソフトウェアの両方の役割によって作り上げられる。

◆ハードウェア

コンピュータを構成する、幻影以外のもの。目に見えるもの。

図コンピュータのハードウェアの構成要素

CPU(Central Processing Unit)。主に計算をする部品。
メモリ(主記憶)
入出力装置（Ｉ／Ｏ）。コントローラと呼ばれる部品を経由して接続されている。
- ハードディスク(２次記憶)
- キーボード
- マウス
- ディスプレー（液晶、ＣＲＴ、）
- ネットワーク

部品は、「バス」と呼ばれる配線の束で結ばれている。部品間は、バスを通じてデータを交換する。

コンピュータの内部の部品

計算のための部品
記憶のための部品
通信のための部品

◆記憶のための部品：メモリ

コンピュータの中では、いろいろな種類の記憶のための部品、すなわち、メモリが使われている。もっとも重要なものは、メインメモリ（主記憶）と呼ばれているもので、単にメモリといった時には、メインメモリを差す。

メインメモリは、ＩＣ（Integrated Circuit、シリコンという元素による半導体で作られた電気回路）でできている。その他に、ハードディスクやフロッピ・ディスクも重要な記憶のための部品である。

メモリ(RAM(Random Access Memory)): 実行中のプログラムを保持する。加工するデータを一時的に保持する。揮発的(電源を切ると消えてしまう)。非常に速い。容量は、ハードディスクよりは小さい。
ハード・ディスク (HD(Hard Disk), HDD(Hard Disk Drive)): プログラムやデータをデータを保持する。永続的(電源を切っても残っている)。容量は、メモリより大きい。

メモリには、数字で番地（アドレス）が付いている。番地を指定して、データを保存する。番地を指定すると、データが取り出せる。

◆ソフトウェア

(役にたつ)ビットの並び。

プログラム
データ
- ワープロの文書、電子メールの内容
- 辞書
- 音楽
- 映画
- 書籍(になるような内容)
- テレビ番組(になるような内容)

◆コンピュータを扱う上で重要な幻影

ファイル
ディレクトリ（フォルダ）
プロセス
（ウインドウ）
仮想記憶、仮想計算機
(トランザクション)

画面には表示されないものが、存在すると思えれば、コンピュータの扱いが簡単になる。

コンピュータを創る側の都合で作り出してしまった不便な幻影も多い。

さまざまな文字コード
再起動
パッチ、修正プログラム、サービスパック、Windows Update
クッキー
(キャッシュ(cache)) -- 使い方によっては便利

ＩＴ革命の時代には、コンピュータを創ってきた人の考え方（文化）を理解できていると便利（有利）なことも多くなってきた。

例：

仮想
(キャッシュ(cache)) -- 使い方によっては不便
Undo
トランザクション

ＩＴ革命以前の例。

物理（宇宙論、原子、因果、熱力学、・・・）
生物（ＤＮＡ、遺伝子、・・・）

■ファイルとディレクトリ

ファイルとは

永続的なメモリ（ハードディスクなど）を便利にしたもの（抽象化、仮想化）。
情報に名前を付けるためのもの

永続的: 電源を切っても残っているもの
揮発的: 電源を切ると消えてしまうもの

ディレクトリとは

ファイルに名前をつけるための仕組み
ファイル名の一覧表を含んでいるもの

◆ファイルの便利さ

物理的な記憶媒体によらずに、データを同じ方法であつかえる。
物理的な記憶媒体を、細かく分割して使える。
名前の管理をコンピュータがしてくれる。

物理的: ハードウェアに近い、ハードウェアの制約に縛られる
論理的(仮想的): 人間の思考、扱う情報に近い

１９９０年ごろコンピュータ：使いたいソフトウェアのフロッピ・ディスクを目でみて探し、コンピュータに入れて、リセットする。

２００４年ごろの DVD ビデオレコーダの使い方：見たい番組を録画した DVD を目でみて探し、DVD ビデオレコーダに入れて再生ボタンを押す。

◆ファイルの性質

名前がある。
内容がある。内容は、符号化された情報やプログラム。
属性がある。
- 所有者（誰のものか）
- 時刻（いつ作ったか）
- 保護（内容を読み出せる権限があるかどうか、内容を変更する権限があるかどうか）

◆ファイルの分類、テキスト・ファイル

ファイルの内容による分類

テキスト・ファイル（text file）: 内容として符合化された文字だけを含むファイル
バイナリ・ファイル（binary file）: テキスト・ファイル以外のファイル。CPUが解釈できるプログラムや画像・音声データを含んだファイル。

ただし、「文字」といっても、ASCII という方法で符合化されたものだけを指すことがある。日本語の漢字を含むファイルの場合、テキスト・ファイルとして扱えることもあるが、バイナリ・ファイルとして扱わなければならないことがある。たとえば、インターネットでファイルをコピーするプログラム（ftp）では、漢字を含むデータをコピーする時に、バイナリ・ファイルとして扱う必要がある場合がある。

テキスト・ファイルは、次のような所で使われている。

電子メールの１つひとつ
ネットワーク・ニュースの記事１つひとつ
WWW のデータのうち、HTML で書かれたもの
ソース・プログラム

テキスト・ファイルを作ったり、内容を修正するには、テキスト・エディタ (text editor)というプログラムを使う。テキスト・エディタは、ワープロと似ているが、文字に飾りを付けたり、図を入れたりすることはできない。

実習室のパソコンには、「メモ帳」、「秀丸エディタ」という名前のテキスト・エディタが使えるようになっている。Unix サーバには、emacs (mule) という名前のテキスト・エディタが入っている。

■オペレーティング・システム

◆オペレーティング・システム（Operating System,OS）とは

基本ソフトウェア（プログラム）。
電源を入れて、使えるようになった時に動いているプログラム。（オペレーティング・システム以外のプログラムは、すべてオペレーティング・システムの働きで実行される。）
コンピュータの「顔」を作る。基本的な考え方と操作方法とを決める。同じハードウェアでも、違うオペレーティング・システムが動くと、考え方も操作方法も違う。
ソフトウェアにより、基本的なもの（幻影、オブジェクト）を提供する。
- ファイルとディレクトリ
- プロセス
- ウィンドウ、アイコン
管理職。ハードウェアを管理する。メモリ管理、ＣＰＵ管理。

◆オペレーティング・システムのメモリへの読込みと実行

徒然草(つれづれぐさ)。八になりし年。最初の仏問題。

ＯＳは、他のプログラムを実行するプログラムである。他のプログラムは、ＯＳの力を借りてはじめて実行される。

ではＯＳは、誰が実行するか？

ブート・ストラップ（Boot strap,靴ひも)。ほら吹き男爵は、底なし沼に落ちた時に、自力で脱出するために、自分の靴ひもにつかまって脱出した。

BIOSがブートローダをメモリに読み込み、ブートローダを実行する。

ブートローダがＯＳをメモリに読み込み、ＯＳを実行する。

BIOS(Basic Input Output System)、ROM Monitor。ＯＳをハードディスクからメモリにコピーして、ＯＳに制御を渡すプログラム。ROM (Read-Only Memory) という、少容量の不揮発的なメモリに入っている。古いシステムでは、（フロッピ・ディスクへの）基本的な入出力の機能が含まれていた。

◆オペレーティング・システムの種類

Microsoft Windows95/98/2000/NT/XP
MS-DOS
Unix, Linux
MacOS

ソフトウェアを買う時、自分のパソコンのＯＳで動作するものを買う。 (CPU の種類も大事。同じ OS でも CPU の種類がプログラムは違うと動作しない。)

自分が使いたいソフトウェアが動作するようなＯＳとＣＰＵを積んだパソコンを買う。

◆歴史

Loader
Monitor
バッチ処理
TSS (Time Sharing System)
ワークステーション用OS
パソコン用OS
ネットワークOS, 分散OS, 実時間OS

「パーソナル・コンピュータ」の考え方は、比較的新しい。昔は、コンピュータが高価だったので、１台のコンピュータを複数人（時には数百人）で同時に使うことが一般的だった。

TSS (Time Sharing System)では、１台のコンピュータを大勢の人で同時に使う、一人ひとりは、自分で占有しているかのように見える。

「パーソナル・コンピュータ」の考え方は、比較的新しい。

◆構成要素

カーネル
シェル（User Interface）
ウィンドウ・システム
コマンド群
Application Programming Interface (API) （ライブラリ、システム・コール）

API は、ソフトウェアを創る人にとって重要。その他の要素は、一般利用者にも関係してくる。

図オペレーティング・システムの構成要素

一番人間(利用者)の目につきやすいのは、シェル。

◆シェルの機能

プログラムの実行
ウインドウの重なりの調整
キーボードの切り替え(フォーカスの切り替え)。どのプログラム（プロセス）にキーボードのデータを送るかを決める。
ファイルのコピー

■仮想記憶（仮想メモリ）

仮想記憶とは、オペレーティングシステムの働きにより、実際に備えているメモリ容量よりも大きなプログラムを動かすための仕組みである。

コンピュータには、２種類の記憶するためのハードウェアが使われている。

メモリ（memory）、主記憶（main memory,primary storage）: ＣＰＵと同じく、半導体で作られている（ＩＣ）。速度が速く、値段が高い。ＣＰＵが直接データをアクセスできる。（電源を切ると、内容が失われる。）
二次記憶(secondary storage): ハードディスクなど。半導体のメモリと比較して、速度が遅く、値段が安い。ＣＰＵが直接データをアクセスでない。（電源を切っても、内容は保存される。）

図仮想記憶によるプログラム（プロセス）の実行

仮想記憶を使うと、メモリが１００Ｍバイトしかないコンピュータで、２００Ｍバイトのメモリを使うプログラムを実行することができるようになる。

もともとは、１つのプログラムで実際のメモリ容量以上のものを使うための仕組みである。最近では、複数のプログラムが使うメモリの総量で考えることもある。

仮想記憶の基本的なアイディアは、すぐに使うところだけを速いメモリ（ＩＣ）に、当分使わない所を、遅いハードディスクに置き、ディスクとメモリの内容を入れ替えながら仕事を進めることである。この時、速いメモリを主記憶 (main memory, primary storage)、遅いハードディスクを二次記憶(secondary storage)とう。

◆置き換えアルゴリズム

主記憶が足りなくなった時に、どうするか。

OPTアルゴリズム。最も遠い将来まで利用されない部分を二次記憶へ。
FIFOアルゴリズム。最も早い時刻に読み込まれた部分を二次記憶へ。
Randomアルゴリズム。ランダムに選んで二次記憶へ。
LRU((Least Recentry Used))アルゴリズム。最も長い時間参照されていない部分を二次記憶へ。

一番いいのは、OPTアルゴリズムだが、実現不可能。未来の情報を使うので。 LRU は、過去の情報を使って未来を予測する方法。

野口悠紀雄の「超整理法」の押し出しファイルは、LRUアルゴリズム。

アルゴリズム(手法、算法)とは、問題を解くためのあらかじめ記述された定義の明確な規則、あるいは、指示の集まり。日本語などで書くこともできる。直接的にはコンピュータでは実行できない。なんらかの方法で実行できるようになったものは、プログラムである。

■仮想という考え方

◆コンピュータ由来の「仮想」の意味

仮想記憶は、「仮想」という言葉が付く言葉で、もっとも基本的なもの。

仮想記憶(virtual memory)
仮想計算機(virtual machine)
仮想回線(virtual circuit)
仮想専用線(virtual private network)
仮想LAN(virtual LAN)
仮想現実(virtual reality)

ファイルは、ハードディスクを仮想化したものである。

類語：論理(logical)（←→物理、物理フォーマット／論理フォーマット）、抽象(abstract)

反語：実(real)

◆一般の辞書に現れる「仮想」の定義

辞書の定義は、今一つ。仮想記憶との類推で仮想という考え方を押さえたい。「仮想敵国」の「仮想」と「仮想記憶」の「仮想」は別物である。

仮想 (広辞苑)

仮に考えること。仮に想定すること。例：仮想敵国。

仮想敵国 (広辞苑)

a hypothetical [potential] enemy。

virtual--形A(比較なし) (研究社新英和中辞典)

1 (表面または名目上はそうでないが)事実上の，実質上の，実際(上)の：

It was a virtual promise． (約束ではないが)約束も同然だった／

He was the virtual leader of the movement．彼はその運動の事実上の指導者だった．

2 【光】虚像の(＜－＞real)： a virtual image 虚像．

◆仮想計算機(virtual machine)

計算機とは、コンピュータのこと。電卓ではない。ハードウェアには存在しないが、実際の計算機と同じように命令セット、メモリ、入出力など機能をソフトウェア的に実現したもの。

IBM メインフレーム用 (1970年代)。: 1台のハードウェアで数種類のＯＳを動かす。
Virtial PC, Real PC, VMware: Windows PC のハードウェアと同じような動きをする。Macintosh や Linux で Windows 用のプログラムを実行するために使う。
vMac (Virtual Macintosh)
VirtualGameStation
Java仮想計算機: Java 言語で書かれたプログラムを実行するための仮想計算機。

Java仮想計算機を、いろいろな環境（Unix, Windows, Macintosh, 携帯電話）でソフトウェア実現すれば、Javaで書かれたプログラムがそれらの環境でそのまま動作する。

エミュレータ: 別のシステムで、本物のシステムと同じ動きを真似するソフトウェア。本物は、必ずしもコンピュータ全体（計算機）でなくてもよい。