システムコール (システムコール) とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

システムコール (システムコール) の読み方

日本語表記

システムコール (システムコール)

英語表記

syscall (シスコール)

システムコール (システムコール) の意味や用語解説

システムコールとは、アプリケーションがオペレーティングシステム（OS）の機能を利用するために使用する、公式な手続きまたはインターフェースのことである。コンピュータシステムは、アプリケーション、OS、ハードウェアという階層構造で成り立っている。この中でOSは、CPU、メモリ、ディスク、ネットワークデバイスといったハードウェアリソースを管理し、システム全体の安定性とセキュリティを維持する重要な役割を担っている。アプリケーションがこれらのリソースを自由に直接操作してしまうと、他のアプリケーションの動作を妨害したり、システム全体を不安定にしたりする危険がある。このような事態を防ぐため、OSはハードウェアへの直接アクセスを自身に限定し、アプリケーションからの要求を仲介する仕組みを提供している。その仲介の仕組みこそがシステムコールである。言い換えれば、システムコールは、アプリケーションがOSの保護された領域に入り、OSが提供するサービスを安全に利用するための唯一の窓口として機能する。 コンピュータのCPUには、少なくとも二つの動作モードが存在する。一つは「カーネルモード（特権モード）」で、OSの中核部分であるカーネルが動作するモードである。このモードでは、メモリ管理やデバイス制御など、すべてのハードウェアリソースにアクセスできる特権的な命令を実行できる。もう一つは「ユーザーモード」で、一般的なアプリケーションが動作するモードである。このモードでは、実行できる命令が制限されており、ハードウェアへの直接アクセスや、他のアプリケーションのメモリ空間への干渉は固く禁じられている。アプリケーションは通常ユーザーモードで実行されており、ファイルを開いたり、ネットワークで通信したりといった、ハードウェアリソースを必要とする処理を実行したい場合、自らカーネルモードに移行することはできない。そこで、アプリケーションはOSに対して「この処理を実行してほしい」と依頼する必要が生じる。この依頼のプロセスがシステムコールである。アプリケーションがシステムコールを発行すると、CPUは意図的に「トラップ」または「ソフトウェア割り込み」と呼ばれる特殊な状態に移行し、動作モードをユーザーモードからカーネルモードへ切り替える。そして、CPUの制御権がアプリケーションからOSのカーネルへと渡される。カーネルは、依頼された処理（例えばファイルの読み込み）を実行し、処理が完了すると結果をアプリケーションに返却するとともに、CPUのモードを再びユーザーモードに戻し、制御権をアプリケーションに返す。この一連の流れにより、アプリケーションはOSの管理下で安全にハードウェアリソースを利用できる。 システムコールには多種多様な種類が存在し、OSが提供する機能の根幹を成している。これらは大きくいくつかのカテゴリに分類できる。第一に、プロセス制御に関するものがある。これには、新しいプロセスを生成する、プログラムを実行する、プロセスを終了させるといった機能が含まれる。第二に、ファイル操作に関するもので、ファイルの作成、オープン、クローズ、読み込み、書き込み、属性の変更などが該当する。我々が日常的に行うファイルの保存や読み込みといった操作は、すべて内部でこれらのシステムコールが呼び出されている。第三に、デバイス管理に関するものがあり、特定のハードウェアデバイスからの入出力や設定変更などを行う。第四に、プロセス間通信に関するもので、異なるプロセス間でデータを交換したり、同期を取ったりするための仕組みを提供する。最後に、ネットワーク通信に関するものがあり、ソケットを作成してインターネット上の他のコンピュータとデータを送受信する機能などが含まれる。 通常、プログラマがアプリケーションを開発する際に、システムコールを直接記述することは稀である。多くのプログラミング言語では、標準ライブラリとしてAPI（Application Programming Interface）が提供されており、プログラマはそれを利用する。例えば、C言語でファイルに文字列を書き込む際に`fprintf`という関数を使用するが、この関数が内部で`write`というシステムコールを呼び出している。このように、APIはシステムコールの複雑さを隠蔽し、より人間に分かりやすく、使いやすい形で機能を提供するラッパーとしての役割を果たす。しかし、システムエンジニアとしては、このAPIの背後でシステムコールが動作していることを理解しておくことが極めて重要である。プログラムのパフォーマンスチューニングを行う際や、低レベルなエラーの原因を調査する際に、どのシステムコールがどの程度の頻度で呼び出されているかを把握することが、問題解決の鍵となる場合が少なくない。システムコールは、アプリケーションとOSが連携して動作するための最も基本的な規約であり、現代のコンピュータシステムの安定性と機能性を支える根幹技術である。