自作OSで学ぶマイクロカーネルの設計と実装―マイクロカーネルの深淵を知り、骨太なスキルを身に付ける [単行本]

自作OSで学ぶマイクロカーネルの設計と実装―マイクロカーネルの深淵を知り、骨太なスキルを身に付ける の 商品概要

• 要旨（「BOOK」データベースより）

  ＯＳはもっと自由だし、その舞台裏はずっと楽しい！自作ＯＳ（ＨｉｎａＯＳ）と実用ＯＳ（ＭＩＮＩＸ３、ＧＮＵ　Ｈｕｒｄ、ｓｅＬ４）のソースコードを紐解き、ユニークなアイデアと先進的なテクニックを探究しよう！

• 目次

  第1部　基礎知識
  　Chapter 1　本書について
  　　1.1　本書に向いている人
  　　1.2　本書で学べないこと
  　　1.3　本書の構成
  　　1.4　データ量の表記
  　Chapter 2　マイクロカーネル入門
  　　2.1　カーネルとは
  　　2.2　マイクロカーネルとは
  　　2.3　マイクロカーネルの機能
  　　2.4　マイクロカーネルの長所と短所
  　　2.5　本書で取り上げるマイクロカーネル
  　　2.6　ソースコードを読むにあたって
  　Chapter 3　教育用マイクロカーネルOS「HinaOS」入門
  　　3.1　なぜHinaOSなのか
  　　3.2　HinaOSの特徴
  　　3.3　ソースコードの入手
  　　3.4　コードリーディングのための予備知識
  　　3.5　データ構造
  　Chapter 4　RISC-V入門
  　　4.1　CPUの基本動作
  　　4.2　特権命令
  　　4.3　インラインアセンブリ
  　Chapter 5　プロセスとスレッド
  　　5.1　プロセスの中身
  　　5.2　スレッド
  　　5.3　マルチタスク
  　　5.4　カーネルレベルスレッドとユーザーレベルスレッド
  　　5.5　スレッドの中身
  　　5.6　実装例：HinaOSのプロセス・スレッド
  　　5.7　スレッドの状態
  　　5.8　コンテキストスイッチ
  　　5.9　スケジューリング
  　　5.10　アイドル状態
  　　5.11　実例：MINIX3のプロセス・スレッド
  　　5.12　実例：seL4のプロセス・スレッド
  　　5.13　実例：Machのプロセス・スレッド
  　　5.14　まとめ
  　Chapter 6　メモリ管理
  　　6.1　仮想メモリとは
  　　6.2　仮想メモリのメリット
  　　6.3　物理アドレス空間の構造
  　　6.4　仮想アドレス空間の構造
  　　6.5　ページング
  　　6.6　ページフォルト
  　　6.7　実装例：HinaOSのページフォルト処理の実装
  　　6.8　物理メモリ割り当て
  　　6.9　実例：MINIX3のメモリ管理
  　　6.10　実例：seL4のメモリ管理
  　　6.11　実例：Machのメモリ管理
  　　6.12　まとめ
  　Chapter 7　割り込み・例外
  　　7.1　割り込みと例外
  　　7.2　実例：RISC-Vの割り込み処理
  　　7.3　タイマー処理
  　　7.4　カーネルパニック
  　　7.5　実例：MINIX3の割り込み処理
  　　7.6　実例：seL4の割り込み処理
  　　7.7　実例：Machの割り込み処理
  　　7.8　まとめ
  　Chapter 8　メッセージパッシング
  　　8.1　メッセージパッシング
  　　8.2　非同期 vs. 同期的
  　　8.3　通知IPC
  　　8.4　大きなデータの転送
  　　8.5　デッドロック
  　　8.6　優先度の逆転問題
  　　8.7　高速化技術
  　　8.8　実例：MINIX3のIPC
  　　8.9　実例：seL4のIPC
  　　8.10　実例：MachのIPC
  　　8.11　まとめ
  　Chapter 9　システムコール
  　　9.1　システムコールの種類
  　　9.2　実装例：HinaOSのシステムコール処理の流れ
  　　9.3　ユーザー空間からのメモリコピー
  　　9.4　実例：MINIX3のシステムコール
  　　9.5　実例：seL4のシステムコール
  　　9.6　実例：Machのシステムコール
  　　9.7　まとめ
  第3部　ユーザーランド
  　Chapter 10　ユーザーランド
  　　10.1　サーバ
  　　10.2　機構と方針の分離
  　　10.3　シングルサーバOSとマルチサーバOS
  　　10.4 サーバの種類
  　　10.5　実装例：HinaOSのサーバ構成
  　　10.6　実例：MINIX3のサーバ構成
  　　10.7　実例：seL4のサーバ構成
  　　10.8　実例：Hurdのサーバ構成
  　Chapter 11　API（Application Programming Interface）
  　　11.1 API
  　　11.2　メインループ
  　　11.3　IPCスタブ
  　　11.4　ステートフルなリクエスト
  　　11.5　非同期メッセージパッシング
  　　11.6　動的メモリ割り当て（malloc）
  　Chapter 12　デバイスドライバ
  　　12.1　デバイスの例
  　　12.2　デバイスドライバの仕組み
  　　12.3　virtioデバイス
  　　12.4　実装例：HinaOSのvirtio-netドライバ
  　　12.5　実例：MINIX3のデバイスドライバ
  　　12.6　実例：seL4のデバイスドライバ
  　　12.7　実例：Hurdのデバイスドライバ
  　Chapter 13　ファイルシステム
  　　13.1　ファイルシステムの要素
  　　13.2　ファイルシステムの構造
  　　13.3　ファイルシステムの機能
  　　13.4　ログ構造ファイルシステム
  　　13.5　疑似ファイルシステム
  　　13.6　Filesystem in Userspace（FUSE）
  　　13.7　実装例：HinaFSの設計
  　　13.8　実装例：HinaFSの実装
  　　13.9　実例：FATファイルシステム
  　　13.10　ファイルシステムサーバ
  　Chapter 14　ネットワーク（TCP/IP）
  　　14.1　TCP/IP階層モデル
  　　14.2　IPv4
  　　14.3　TCP
  　　14.4　UDP
  　　14.5　アドレスの解決
  　　14.6　mbuf
  　　14.7　実装例：HinaOSのパケット送受信処理
  　　14.8　実例：MINIX3のTCP/IPサーバ
  　　14.9　実例：HurdのTCP/IPサーバ
  第4部　発展的話題
  　Chapter 15　マルチプロセッサ対応
  　　15.1　マルチプロセッサの形態
  　　15.2　カーネルのマルチプロセッサ対応
  　　15.3　スピンロック
  　　15.4　プロセッサ間割り込み
  Chapter 16　仮想化とエミュレーション
  　　16.1　ハイパーバイザ
  　　16.2　OS互換レイヤ
  　　16.3　コンテナ
  　Chapter 17　信頼性とセキュリティ
  　　17.1　「マイクロカーネルはモノリシックカーネルより安全」という主張
  　　17.2　高い信頼性のために必要なこと
  　　17.3　サーバの自動再起動
  　　17.4　ライブアップデート
  　　17.5　「ステートの漏出（state spill）」問題
  　　17.6　HinaOSの脆弱性からみるOSのセキュリティ
  　Chapter 18　ソフトウェアによるプロセス隔離
  　　18.1　プロセス隔離の必要性
  　　18.2　ハードウェアによるプロセス隔離
  　　18.3　ソフトウェアによるプロセス隔離
  　　18.4　実装例：HinaVM
  　　18.5　ソフトウェアによる隔離は安全か？
  　Chapter 19　ブート処理
  　　19.1　ブートローダ
  　　19.2　HinaOSのブート処理
  　　19.3　MINIX3のブート処理
  　　19.4　seL4のブート処理
  　　19.5　Hurdのブート処理
  　Appendix　付録
  　　Appendix 1　HinaOS開発環境の構築
  　　Appendix 2　HinaOSのデバッグ
  　　Appendix 3　参考文献

• 出版社からのコメント

  マイクロカーネルOSのソースコードを紐解き、ユニークなアイデアと先進的なテクニックを探求しよう！

• 内容紹介

  　マイクロカーネルOSは、「美しい設計ではあるものの、遅い実装」というイメージを持たれることがありますが、それは過去の話です。現在では、目立たないところで実用的なOSとして使われ、世界を支えています。
  　本書では、マイクロカーネルOSの概念からその実例まで、機能ごとに分けて説明しています。本書全体としては、基礎知識、マイクロカーネルの解説、その上で動くソフトウェア部分（ユーザーランド）の解説、そして発展的内容の4つのパートから構成されており、それぞれのパート内の章は、概念の解説部分と、その概念をどのように実装しているかを解説した実装部分に分かれています。
  　各章の実装例として、本書のために筆者が開発したマイクロカーネルOS「HinaOS」を用いて、わかりやすく解説しています。HinaOSは、エミュレータ上で動かすことを想定した教育目的のOSですが、OSの実装を学ぶのに必要となる最低限の機能を備え、ソースコードもシンプルにです。
  　また、HinaOSでの実装例のほかに、MINIX3、seL4、GNU Hurdという3つの実用マイクロカーネルOSによる実例も解説しています。複数のOSについて紹介しているのは、それぞれに特徴があり、それを比較してほしいという理由からです。「マイクロカーネルOSとは、こういうものである」という固定観念を持たず、マイクロカーネルであるからこその柔軟さ、そして設計の自由さを味わってください。OSはコンピュータの使い方をガラッと変えられる、いわば新しいソフトウェアの世界を創れる土台なのです。
  　本書を読み終えたら、自分でOSを作ってみてください。OSの仕組みを理解していても、実装することで新たな発見があるものです。ゼロからOSを作るのではなく、HinaOSを拡張するのもよいでしょう。HinaOSには、実装が面倒な基本機能が既に備わっています。このようにOSを拡張しやすいのもマイクロカーネルの特徴の1つです。
  　本来、OSはとても自由なソフトウェアです。特定のCPUにしかない変わった機能を活用した移植性ゼロのOSを作るもよし、極限まで小さくしたOSを作るもよし、自由な発想で自分の世界を創り上げることができる最高の題材なのです。
  　本書を手に、マイクロカーネルの深淵をのぞき込んでみてください。その舞台裏を楽しんでいるうちに、OSやアーキテクチャにとらわれないコンピュータの深い技術も身に付いているはずです。
  
  図書館選書
  自作OS（HinaOS）と実用OS（MINIX3、GNU Hurd、seL4）のソースコードを紐解き、シンプルでエレガントにOSの機能を実現するマイクロカーネルのさまざまな手法を解説します。

• 著者紹介（「BOOK著者紹介情報」より）（本データはこの書籍が刊行された当時に掲載されていたものです）

  怒田 晟也(ヌタ セイヤ)
  筑波大学情報学群情報科学類卒業、筑波大学大学院リスク工学専攻修士課程修了。現在は、ＣＤＮにおけるエッジコンピューティング技術の開発に従事

• 著者について

  怒田晟也 (ヌタセイヤ)
  筑波大学 情報学群 情報科学類 卒業、筑波大学大学院 リスク工学専攻 修士課程 修了。現在は、CDNにおけるエッジコンピューティング技術の開発に従事。OSカーネルやハイパーバイザといった低レイヤのソフトウェアが好き。趣味でLinux ABI互換カーネルをRustで書いてみたり、自身のWebサイトを自作OSで提供してみたりして遊んでいる。

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