1.3 カーネルとシェル

Kernel and Shell

カーネルはハードウェアを抽象化しプロセスを管理する。シェルはユーザーとカーネルの間に立ち、コマンドを解釈して実行する。

システム構造

@startuml
!theme plain
skinparam backgroundColor #FEFEFE

rectangle "ユーザー" as User #FEF3C7

rectangle "ユーザー空間" as Userspace #DBEAFE {
    rectangle "アプリケーション\n(firefox, vim, python)" as Apps
    rectangle "シェル\n(bash, zsh)" as Shell
    rectangle "ライブラリ\n(glibc)" as Lib
}

rectangle "カーネル空間" as Kernelspace #FECACA {
    rectangle "システムコール\nインターフェース" as Syscall
    rectangle "プロセス管理" as Process
    rectangle "メモリ管理" as Memory
    rectangle "ファイルシステム" as FS
    rectangle "デバイスドライバ" as Driver
}

rectangle "ハードウェア\n(CPU, RAM, Disk, NIC)" as HW #E5E7EB

User --> Shell
Shell --> Apps
Apps --> Lib
Lib --> Syscall
Syscall --> Process
Syscall --> Memory
Syscall --> FS
Process --> Driver
Memory --> Driver
FS --> Driver
Driver --> HW

@enduml

図1: Linuxシステムの層構造

Linuxシステムはカーネル空間とユーザー空間に分離される。カーネルは特権モードで動作し、ハードウェアに直接アクセスできる。ユーザープログラムはシステムコールを通じてカーネルの機能を利用する [1]。

カーネルの役割

機能	説明
プロセス管理	プロセスの生成・終了・スケジューリング
メモリ管理	仮想メモリ、ページング、メモリ保護
ファイルシステム	VFS抽象化、ext4/xfs/btrfs等のサポート
デバイス管理	ドライバによるハードウェア抽象化

シェルの役割

@startuml
!theme plain
skinparam backgroundColor #FEFEFE

actor ユーザー as User
participant "シェル\n(bash)" as Shell
participant "カーネル" as Kernel
participant "プログラム\n(ls)" as Prog

User -> Shell : コマンド入力\n"ls -la"
Shell -> Shell : 構文解析
Shell -> Kernel : fork()
Kernel -> Prog : execve("/bin/ls")
Prog -> Kernel : システムコール\n(read, write)
Kernel --> Prog : 結果
Prog --> Shell : exit
Shell --> User : 出力表示

@enduml

図2: シェルによるコマンド実行の流れ

シェル	特徴
bash	最も普及、POSIX互換、多くのディストリビューションの標準
zsh	高機能な補完、プラグイン拡張（oh-my-zsh）
fish	ユーザーフレンドリー、構文ハイライト標準

# 現在のシェルを確認
echo $SHELL

# 利用可能なシェル一覧
cat /etc/shells

出典

[1] Love, R. (2010). Linux Kernel Development, 3rd Edition. Addison-Wesley.
[2] man bash - GNU Bourne-Again SHell.