FreeBSD

FreeBSDは高性能かつ信頼性の高いオペレーティングシステムであり、プログラマにとって非常に魅力的なプラットフォームです。本書では、FreeBSDの基本的な概念から始まり、システム管理、ネットワーキング、プログラミング環境のセットアップ、言語別の開発、デバッグ、モジュール開発など、広範かつ実践的なトピックをカバーします。初めてのユーザーにはインストールと基本設定から始め、より経験豊富なプログラマには高度なテーマまで幅広く扱います。豊富なイラストや手順の説明、具体的なコード例を交え、読者が理解を深めながら実際のプロジェクトでFreeBSDを活用できるようにサポートします。本書はFreeBSDの理解と利用において欠かせないリソースとなることでしょう。

はじめに

FreeBSDとは

FreeBSDは、高性能で安定性があり、オープンソースのUnix系オペレーティングシステムです。これは、幅広い用途に適したカーネルとユーザーランドプログラムで構成されており、多くのプログラマやシステム管理者に支持されています。

特徴と利点

高い性能と安定性: FreeBSDは優れたパフォーマンスと信頼性を提供し、大規模なシステムから組み込みデバイスまで様々な環境で利用されています。
オープンソース: FreeBSDは、三条項BSDライセンス (3-clause BSD license) から「書面上の許可なく開発者の名称を派生物の推奨や販売促進に使用しない」という条項を削除した二条項BSDライセンス (2-clause BSD license) がの下で提供され、コミュニティによって開発・メンテナンスされています。これにより、ユーザーはソースコードにアクセスし、自由に変更やカスタマイズが可能です。
強力なネットワーキング機能: FreeBSDはネットワーキングに特化しており、高度なネットワークサービスやセキュリティ機能を提供します。

FreeBSDの歴史

FreeBSDは、Berkeley Software Distribution (BSD) から派生したオープンソースのUnix系オペレーティングシステムであり、その歴史は長いものです。以下にFreeBSDの主な歴史的な出来事を要約します。

FreeBSDの歴史
年	事象
1974年	カリフォルニア大学バークレー校のBob Fabry教授がAT&TからUnixのソースライセンスを取得。DARPAの支援を受けて、Computer Systems Research GroupがAT&T Research Unixを改良し、「Berkeley Unix」または「Berkeley Software Distribution」（BSD）と呼ばれるようになる。
1976年	Bill JoyによってBSDプロジェクトが設立。BSDはAT&T Unixのコードを含んでいたため、使用するためにはまずAT&Tからライセンスを取得する必要があった。
1989年6月	"Networking Release 1"または単にNet/1 - 最初のBSDの公開バージョンがリリースされる。
1991年	"Networking Release 2"（Net/2）がAT&Tのコードを一部残してリリースされる。
1992年	Net/2の数ヶ月後、WilliamとLynne JolitzがAT&Tの6つのファイルの代替物を作成し、BSDをIntel 80386ベースのマイクロプロセッサに移植。386BSDとしてリリースされる。
1992年1月	Berkeley Software Design Inc.（BSDi）がBSD/386（後のBSD/OS）をリリース。AT&TはBSDiに対し、AT&Tのソースコードの配布がライセンス違反であるとして訴訟を起こす。
1993年	FreeBSDプロジェクトがジョーダン・ハバード、Rod Grimes、David Greenmanによってスタート。
1993年6月19日	FreeBSDの開発開始がアナウンスされる。
1993年12月	FreeBSD 1.0が最初のリリース。
1994年1月	ノベルとカリフォルニア大学バークレー校とのUNIX訴訟の和解が成立。4.3BSD Net/2にUNIXのライセンスに抵触する部分が認められる。
1994年	BSDiとAT&Tの訴訟は和解し、具体的な条件は公開されなかったが、BSDiはソースベースを新しい4.4BSD-Lite2に移行することを合意。
1994年5月	FreeBSD 1.1がリリース。
1994年7月	FreeBSD 1.1.5.1が最後の4.3BSD Net/2ベースの開発としてリリース。
1994年11月	FreeBSDプロジェクトが4.4BSD-LiteをベースにしてFreeBSDの開発を再開し、FreeBSD 2.0がリリースされる。
1994年以降	FreeBSDは順調に発展を続け、標準のX Window SystemについてXFree86からX.Orgへの移行が行われる（FreeBSD 5.3以降）。

2024年現在: FreeBSDは広範な用途で利用され、高い性能、信頼性、柔軟性が評価されています。Webサーバ、ルータ、ファイアウォール、組み込みシステム、そしてNintendo Switchなど、さまざまなプラットフォームで動作しています。コミュニティと開発者によって継続的にメンテナンスが行われ、最新の技術にも追随しています。

インストールと基本的な設定

FreeBSDのインストールは直感的であり、以下の手順に従っています。

インストールメディアの作成: 公式ウェブサイトから最新のインストールイメージをダウンロードし、CDやUSBに書き込んで起動メディアを作成します。
インストールプロセスの開始: 起動メディアからコンピュータを起動し、インストールプロセスを開始します。
基本設定: 言語、キーボード、ネットワーク設定など、基本的な設定を行います。
ディスクのパーティションとインストール: インストール先のディスクを選択し、パーティション設定を行ってから、FreeBSDを選択したディスクにインストールします。
ブートローダーの設定: インストールが完了したら、ブートローダーの設定を行います。

これにより、基本的なFreeBSDシステムが構築され、利用を開始することができます。

FreeBSDの基本概念

カーネルとユーザーランド

カーネル

FreeBSDのアーキテクチャは、カーネルとユーザーランドという2つの主要なコンポーネントに分かれています。カーネルはオペレーティングシステムの中核であり、システム全体の管理と制御を担当します。以下に、FreeBSDのカーネルに関連する重要な概念を紹介します。

ハードウェア制御: カーネルはハードウェアと直接やり取りし、各種デバイス（プロセッサ、メモリ、ディスク、ネットワークインターフェースなど）を制御します。これにより、ハードウェア資源を効果的に利用し、システムの基本的な機能を提供します。
システムコール: カーネルはユーザーランドのプログラムがハードウェアリソースにアクセスできるように、システムコールと呼ばれる特定のインターフェースを提供します。これにより、ユーザーランドのアプリケーションは権限のある操作を実行できます。
プロセス管理: カーネルはプロセスの生成、スケジューリング、終了など、プロセスのライフサイクル全般を管理します。これにより、マルチタスク環境で複数のプログラムが同時に実行されます。

ユーザーランド

ユーザーランドは、ユーザーアプリケーションやプログラムが動作する領域です。ユーザーランドは以下の要素で構成されています。

ユーザーアプリケーション: ユーザーランドには、ユーザーが直接操作するためのアプリケーションが含まれます。これにはテキストエディタ、ウェブブラウザ、メールクライアントなどがあります。
シェル: ユーザーとシステムとの対話を可能にするコマンドラインインターフェース（シェル）もユーザーランドに属します。シェルはユーザーがコマンドを入力し、それを解釈してカーネルに伝えます。
システムライブラリ: ユーザーランドのプログラムが利用する標準ライブラリやシステムコールの呼び出しインターフェースが提供されます。これにより、プログラマは高度な機能を手軽に利用できます。

カーネルとユーザーランドの連携

カーネルとユーザーランドは密接に連携して動作します。ユーザーランドのプログラムはシステムコールを通じてカーネルにリクエストを送り、カーネルはこれに応じてハードウェアやシステムリソースを制御します。この連携により、安定性と効率性を保ちながら、様々なアプリケーションが実行されるのです。

FreeBSDのソースコード管理

FreeBSDのソースコードは、カーネルとユーザーランドの両方が一元管理され、それぞれのソースコードは /usr/src/ ディレクトリに格納されています。この統一された管理体制は、システム全体の一貫性と効率的な開発プロセスを確保する役割を果たしています。

以下、ソースツリーの中で代表的なものをいくつか紹介します。

カーネルのソースコード (/usr/src/sys)

カーネルのソースコードは /usr/src/sys ディレクトリ内に配置されています。このディレクトリには、様々なハードウェアアーキテクチャやデバイスドライバ、システムコールなど、FreeBSDカーネルの要素が含まれています。

アーキテクチャごとのディレクトリ: カーネルのソースコードは、サポートされている異なるハードウェアアーキテクチャに対応するため、それぞれのアーキテクチャごとにディレクトリが用意されています。例えば、amd64アーキテクチャ向けのソースコードは /usr/src/sys/amd64/ 以下に配置されています。
デバイスドライバ: カーネルの中には様々なデバイスを制御するためのデバイスドライバが含まれています。これらのデバイスドライバのソースコードは /usr/src/sys/dev/ ディレクトリ以下に配置されています。
システムコールとカーネル機能: システムコールやカーネルの基本的な機能に関連するソースコードは /usr/src/sys/kern/ ディレクトリに格納されています。これにはプロセス管理、メモリ管理、ファイルシステムなど、カーネルの中核的な機能が含まれています。

ユーザーランドのソースコード (/usr/src/usr): ユーザーランドのソースコードは /usr/src/usr ディレクトリ内に配置されています。このディレクトリには、ユーザーアプリケーション、シェル、システムツール、ライブラリなどが含まれています。
ユーザーアプリケーション: ユーザーアプリケーションのソースコードは /usr/src/usr.bin/ ディレクトリ以下に存在します。ここには一般的なコマンドラインツールやユーザーが直接利用するプログラムが格納されています。
シェル: シェルのソースコードは /usr/src/bin/sh/ ディレクトリに配置されています。シェルはユーザーがコマンドを入力して対話するための環境を提供します。
システムライブラリ: ユーザーアプリケーションが利用するシステムライブラリのソースコードは /usr/src/lib/ ディレクトリ以下に位置しています。これらのライブラリは、プログラムの開発や実行に必要な基本的な機能を提供します。

このように、FreeBSDのソースコードは効果的に整理され、開発者が特定の領域に焦点を当てて作業することを容易にしています。

プロセスとスレッド

プロセスは実行中のプログラムのインスタンスであり、メモリやリソースを独立して持ちます。それに対して、スレッドはプロセス内で動作する軽量な実行単位で、同じプロセス内のスレッドはメモリを共有します。FreeBSDはマルチスレッドをサポートしており、効率的なマルチコア処理が可能です。

ファイルシステムとストレージ

FreeBSDは複数のファイルシステムをサポートし、ZFS（Zettabyte File System）などが特に注目されています。これにより、高度なデータ管理や耐障害性を実現できます。ストレージはディスクや他のメディアを指し、FreeBSDは様々なストレージデバイスを効果的に扱います。

ネットワーキング

FreeBSDは強力なネットワーキング機能を備えており、TCP/IPスタックの実装や高度なネットワークサービスを提供します。ネットワーキングはシステムの中心的な要素であり、FreeBSDはこれを効果的かつ柔軟に扱います。ネットワーキング機能はシステムの安定性や性能に直結しているため、プログラマにとって重要な概念です。これらの基本概念を理解することは、FreeBSD上でプログラムを開発する際の基盤となります。それぞれの概念について深く理解し、実践的なコーディングやシステム管理に活かすことが重要です。

PortsとPkgs

FreeBSDでは、ソフトウェアの管理に Ports と Pkgs という2つの仕組みがあります。

Ports

Ports は、ソースコードからソフトウェアをビルド・インストールするためのフレームワークです。各ソフトウェアは専用のディレクトリ（ポート）内に配置され、そのディレクトリ内にはビルドやインストールに必要な手順が記述されています。ポートを使用することで、ユーザーはソースコードから最適なバイナリをビルドし、カスタマイズできます。これは特に、特定のオプションやライブラリの変更が必要な場合に有用です。

portsのディレクトリに移動して、特定のソフトウェアをビルド・インストールする例

cd /usr/ports/category/software
make install clean

Pkgs

｀kgs は、ビルド済みのバイナリパッケージを利用する仕組みです。Portsとは異なり、ユーザーはソフトウェアのビルド手順を気にすることなく、既にビルドされたパッケージを簡単にインストールできます。これにより、手軽かつ迅速にソフトウェアを導入できます。

pkgsを使用してソフトウェアをインストールする例

pkg install software </syntaxhighlight>

どちらの方法も利用でき、状況や要件に応じて使い分けることができます。Portsは柔軟性が高く、Pkgsは手軽で効率的です。FreeBSDではこれらの仕組みを駆使して、システムを柔軟に構築・管理することが可能です。

システム管理

ユーザーとグループ管理

プロセス管理とタスクスケジューリング

システムログと監視

パフォーマンスチューニング

ネットワーキングと通信

ネットワーク設定と構成

インターネットサービスの設定 (SSH, FTP, DNS, etc.)

ファイアウォールとセキュリティ

プログラミング環境のセットアップ

コンパイラとビルドツール

ライブラリとヘッダーファイル

パッケージ管理

プログラミング言語と開発

C言語開発

シェルスクリプト

他のサポートされている言語

デバッグとプロファイリング

gdbを用いたデバッグ

パフォーマンスプロファイリングの基本

デバイスとハードウェアの操作

ドライバの開発

デバイスの管理と設定

カーネルモジュールの開発

カーネルモジュールの基本

カーネルの拡張とカスタマイズ

プロジェクトと実践的なアプリケーション

実際のプロジェクト例

コードの最適化と保守

リソース

FreeBSD 公式サイト (https://www.freebsd.org/) — FreeBSD のダウンロード、ドキュメント、FAQ、セキュリティ情報、アップデート、開発者リソースなど、さまざまな情報を提供しています。
FreeBSD フォーラム (https://forums.freebsd.org/) — FreeBSD に関する質問や意見交換ができるフォーラムです。多くのユーザーがアクティブに参加しています。
FreeBSD ドキュメンテーションプロジェクト (https://docs.freebsd.org/) — FreeBSD のドキュメントがまとめられているプロジェクトです。システム管理、ネットワーク、セキュリティ、開発などのトピックがカバーされています。
FreeBSD Ports (https://www.freshports.org/) — FreeBSD Ports は、FreeBSD 用のソフトウェアパッケージを管理するシステムです。FreshPorts は、最新の更新情報や新しいソフトウェアパッケージなどを提供します。
BSD Now (https://www.bsdnow.tv/) — BSD Now は、FreeBSD を含む BSD 系オペレーティングシステムに関するニュースや情報、チュートリアル、インタビューなどを提供するウェブサイトです。Podcast も配信されており、定期的に最新の BSD 系システムについての話題が取り上げられています。
FreeBSD Handbook (https://www.freebsd.org/doc/handbook/) — FreeBSD Handbook は、FreeBSD システムの操作方法や設定方法、プログラムのビルド方法などについて詳細に説明したドキュメントです。初心者から上級者まで、幅広いユーザーに役立つ内容が含まれています。
FreeBSD 日本語プロジェクト (https://www.jp.freebsd.org/) — FreeBSD 日本語プロジェクトは、日本語ユーザー向けに FreeBSD の情報やサポートを提供するコミュニティです。日本語ドキュメントやフォーラム、メーリングリストなどがあり、初心者でも安心して利用できます。