OS（オペレーティングシステム）とは？

テキストエディタを開いた状態でキーを押してみてください。キーボードは電気信号を送り、OSの中のドライバがそれを読み取ります。OSはどのウィンドウが前面にあるかを判断してそのプログラムにキーを届け、エディタが文字を描きます。エディタ自身はキーボードと一切やり取りしていません。ファイルの保存、音の再生、Webページの読み込みも同じしくみです。プログラムが頼み、OSがハードウェアを使って作業をします。

OSの役割

OSにはいくつかの仕事があり、コンピュータ上のすべてのプログラムがそのすべてに依存しています。

• プログラムの実行（プロセス管理）。 CPUコアが8つのノートPCでも、数百のプログラムやバックグラウンドサービスが動いていることがあります。OSのスケジューラはそれぞれに短い時間ずつコアを割り当て、1秒間に何度も切り替えるので、すべてが同時に動いているように見えます。
• メモリの管理。 各プログラムには専用のアドレス空間が与えられます。プログラムが自分のものではないメモリを読もうとすると、OSがそれを止めます。Cではこれが有名なセグメンテーション違反です。
• ファイルの保存。 ディスクは番号付きのバイトのブロックを保存するだけですが、OSはそれをフォルダと名前付きのファイルに変えます。抽象化の典型的な例です。この形式をファイルシステムと呼び、WindowsではNTFS、macOSではAPFS、多くのLinuxではext4が使われます。
• ハードウェアとのやり取り。 ドライバがOSと各デバイス（グラフィックカード、Wi-Fiチップ、プリンタ、Webカメラ）の間を仲介します。
• ネットワーク。 OSがTCP/IPを実装しているので、プログラムはネットワークカードについて何も知らなくてもサーバーに接続できます。
• セキュリティとユーザー。 アカウント、パスワード、ファイルのアクセス権によって、誰が何を読み書きできるかが決まります。
• ユーザーインターフェース。 デスクトップ、ウィンドウ、タスクバー、あるいはBashやPowerShellのようなテキストのシェルです。

カーネルとシステムコール

OSの中核はカーネルです。カーネルはハードウェアを完全に制御できる状態で動き、普通のプログラムは制限されたモードで動くので、デバイスに直接触れることはできません。何かが必要になると、プログラムはシステムコールを行います。「このファイルを開いて」「このバイト列を送って」「新しいプロセスを起動して」といった、カーネルへの依頼です。

多くの場合、使っている言語がシステムコールを包み込んでいるので、目には見えません。Pythonの open() や print() も、最後はカーネルの呼び出しになります。os モジュールを使うと、ほぼ直接システムコールを行えます。

import os
import platform

print("Operating system:", platform.system())
print("My process ID:", os.getpid())
print("CPU cores:", os.cpu_count())

# Ask the OS to create a file and write bytes into it
fd = os.open("note.txt", os.O_WRONLY | os.O_CREAT | os.O_TRUNC)
os.write(fd, b"saved by a system call\n")
os.close(fd)

print("File size:", os.path.getsize("note.txt"), "bytes")

プロセスIDとコア数はマシンによって変わりますが、最後の行は必ず File size: 23 bytes と表示されます。os.open はファイルディスクリプタを返します。これはカーネルが開いているファイルを管理するための小さな番号で、os.write はそこに23バイトを送ります。Cでも同じ依頼はほとんど同じ形になります。これらの関数はシステムコールを薄く包んだものだからです。

int fd = open("note.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
write(fd, "saved by a system call\n", 23);
close(fd);

Linuxでは、strace python3 script.py でプログラムが行うすべてのシステムコールを見ることができます。

OSの具体例と種類

こうした汎用のシステムのほかに、FreeRTOSやZephyrのようなリアルタイムOSがあります。家電、センサー、産業機械のマイコンで動き、決まった時間内の応答を保証します。多くの小さな機器では、1つの目的のために作られた組み込みシステムが動いています。

表からわかるように、1つのカーネルがまったく異なる製品を支えることがあります。AndroidとChromeOSはどちらもLinuxカーネルを使い、その上に独自のソフトウェアを載せています。iOSはmacOSとカーネルを共有しています。

プログラミングでOSが重要な理由

コンパイルされたプログラムは、1つのOS向けに作られます。Windowsの .exe は、同じコンピュータ上であってもLinuxではそのままでは動きません。ファイル形式もシステムコールも違うからです。ダウンロードページにOSごとのバージョンがあるのも、JVM、Node.js、CPythonのような実行環境が存在するのもこのためです。実行環境はOSごとに1回ずつビルドされるので、あなたのコードはOSごとに作り直す必要がありません。実行環境を参照してください。

それでも小さな違いは表に出てきます。次を実行して、別のOSを使っている友人の結果と比べてみてください。

import os

print("Path separator:", repr(os.sep))
print("Line ending:", repr(os.linesep))
print(os.path.join("projects", "notes", "todo.txt"))

LinuxとmacOSでは次のように表示されます。

Path separator: '/'
Line ending: '\n'
projects/notes/todo.txt

Windowsでは区切り文字が '\\'（バックスラッシュ1つ）、改行が '\r\n' になり、パスは projects\notes\todo.txt になります。/ を手で書かずに os.path.join（または pathlib）を使うことで、スクリプトは3つのOSすべてで動き続けます。

よくある誤解

• 「LinuxはOSだ」 厳密には、Linuxはカーネルです。UbuntuのようなLinuxディストリビューションが、シェル、システムツール、パッケージマネージャ、そして多くの場合デスクトップを加えて、完全なOSにしています。日常会話ではどちらもLinuxと呼ばれます。
• 「BIOSはOSの一部だ」 BIOSやUEFIのファームウェアはマザーボード上にあります。ハードウェアをチェックしてからディスクのOSを読み込み、それで主な仕事は終わりです。
• 「デスクトップがOSだ」 デスクトップはカーネルの上で動くプログラムの1つです。サーバーは普通デスクトップなしで動き、テキストのシェルだけで操作されます。
• 「アプリがハードウェアとやり取りしている」 普通のプログラムにはそれが許されていません。ファイルの読み込みも、ネットワークのパケットも、画面の1ピクセルも、すべてOSを通ります。アプリがクラッシュしても、普通はコンピュータ全体が道連れにならないのはこのためです。

次に読むもの

OSはいちばん下の層で、その上、あなたのコードとの間にあるのが実行環境です。メモリ保護がセグメンテーション違反を生み、バイトのページではOSがファイルとメモリに使う単位を説明しています。OSをテキストのシェルから操作するなら、ターミナルコースを試してみてください。