詳解 システム・パフォーマンス - 第3章：オペレーティングシステム

なぜ OS の内部を知る必要があるか

パフォーマンス分析ツール（perf, bpftrace 等）の出力を正しく解釈するには、カーネルが何をしているかを知る必要がある。
「なぜ iowait が高いのか」「なぜ コンテキストスイッチが多いのか」は OS の仕組みを知って初めて理解できる。

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カーネルの主要サブシステム

┌─────────────────────────────────────────────┐
│              ユーザー空間                     │
│   アプリケーション / シェル / ライブラリ       │
├─────────────────────────────────────────────┤
│            システムコールインターフェース        │
├──────────┬──────────┬────────┬──────────────┤
│ プロセス  │ メモリ   │ ファイル│ ネットワーク  │
│ スケジューラ│ 管理   │ システム│ スタック      │
├──────────┴──────────┴────────┴──────────────┤
│         デバイスドライバ                      │
├─────────────────────────────────────────────┤
│         ハードウェア（CPU/RAM/Disk/NIC）       │
└─────────────────────────────────────────────┘

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プロセスとスレッド

状態遷移

New（作成）
  ↓ fork/exec
Runnable（実行可能）←─────────────────┐
  ↓ スケジューラが選択                 │
Running（実行中）                      │
  ↓ 時間切れ or I/O待ち               │
  ├─ Sleeping（I/O待ち / sleep）───→ Runnable
  └─ Zombie（終了待ち）

確認コマンド

# プロセス状態の確認
ps aux
# STAT列の見方:
# R: Running（実行中）
# S: Sleeping（割り込み可能スリープ）
# D: Uninterruptible sleep（I/O待ち ← ディスク問題のサイン）
# Z: Zombie
# T: Stopped

# D状態（I/O待ち）のプロセスを検出
ps aux | awk '$8 ~ /^D/ {print}'

# プロセスの詳細情報
cat /proc/<PID>/status
cat /proc/<PID>/stat     # スケジューラ統計
cat /proc/<PID>/io       # I/O統計

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CPU スケジューラ

基本概念

• タイムスライス：各プロセスが CPU を使える時間（Linux CFS では動的）
• runキュー：実行待ちプロセスのキュー。vmstat r列 で確認
• コンテキストスイッチ：CPU を別プロセスに渡す処理。コストがかかる

CFS（Completely Fair Scheduler）

Linux のデフォルトスケジューラ。各プロセスに「仮想実行時間」を割り当て、最も実行時間が少ないプロセスを優先する。

# コンテキストスイッチ数の確認
vmstat 1 5
# cs 列がコンテキストスイッチ数

# プロセス別コンテキストスイッチ
pidstat -w 1 5
# cswch/s: 自発的（I/O待ち等）
# nvcswch/s: 非自発的（タイムスライス切れ）

# 自発的 > 非自発的: I/O待ちが多い
# 非自発的が多い: CPU 不足で奪われている

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システムコール

ユーザー空間からカーネル機能を呼び出すインターフェース。
すべての I/O・プロセス操作・ネットワーク通信はシステムコール経由。

よく使うシステムコール

システムコール	用途
open() / openat()	ファイルのオープン
read() / write()	ファイル読み書き
mmap()	メモリマップドファイル
fork() / exec()	プロセス生成
socket() / connect()	ネットワーク
futex()	スレッド間同期（ロック）
epoll_wait()	I/O多重化（Webサーバー等）

syscall 分析コマンド

# プロセスの syscall を追跡（実行時間付き）
strace -c -p <PID>
# 出力例:
# % time  seconds  calls  syscall
#  60.00   0.001200   100  futex     ← ロック待ちが多い
#  30.00   0.000600    50  read
#  10.00   0.000200    20  write

# リアルタイムで syscall を見る
strace -p <PID> 2>&1 | head -30

# 特定の syscall のみ追跡
strace -e trace=open,read,write -p <PID>

# bpftrace で syscall 集計
sudo bpftrace -e 'tracepoint:raw_syscalls:sys_enter { @[comm, args.id] = count(); }'

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メモリ管理

仮想メモリの仕組み

プロセスの仮想アドレス空間（4GB / 128TB）
┌──────────────┐
│   stack      │ ← 自動拡張（スレッドごと）
├──────────────┤
│   mmap 領域  │ ← 共有ライブラリ・匿名マッピング
├──────────────┤
│   heap       │ ← malloc() で使う領域（brk/mmap）
├──────────────┤
│   BSS/data   │ ← 初期化済みデータ
├──────────────┤
│   text       │ ← コード（読み取り専用）
└──────────────┘
         ↕ ページテーブルで変換
実際の物理メモリ（RAM）+ スワップ

ページキャッシュ

Linux はフリーメモリをディスクキャッシュ（ページキャッシュ）に使う。
free コマンドの available = free + buff/cache が使えるメモリの実態。

# ページキャッシュの状況
free -h
# → available が重要（cache は必要なら解放される）

# ページングの詳細
sar -B 1 5
# pgpgin/s: ディスクからページイン（読み込み）
# pgpgout/s: ページアウト（書き込み）
# majflt/s: メジャーページフォルト（ディスクアクセス必要）= メモリ不足のサイン

# プロセスのメモリマップ
pmap -x <PID>
# RSS が実際に物理メモリに載っている量

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カーネルの観測ポイント

観測したいもの	ツール	具体的な確認方法
割り込み数	cat /proc/interrupts	NIC・タイマーの割り込み頻度
ソフト割り込み	cat /proc/softirqs	ネットワーク受信処理量
カーネルパラメータ	sysctl -a	TCP バッファサイズ等
CPU の状態	cat /proc/stat	生の CPU 統計
メモリの詳細	cat /proc/meminfo	キャッシュ・スワップの詳細
ネットワーク統計	cat /proc/net/dev	NIC ごとの送受信量

# 割り込み数の変化をリアルタイムで監視
watch -d -n 1 'cat /proc/interrupts | head -20'

# ソフト割り込み（ネットワーク受信が多い場合に確認）
cat /proc/softirqs | grep -E "NET_RX|NET_TX"

# カーネルパラメータ確認・変更例
sysctl net.core.somaxconn        # TCP backlog キュー最大数
sysctl vm.swappiness             # スワップ積極度（0=消極的、60=デフォルト）
sysctl net.ipv4.tcp_max_syn_backlog  # SYN backlog