tyamazaki | wiki

Appearance

Linux基礎体系 ​

Linuxは「カーネル」を中心に、多数のソフトウェアが組み合わさって成立するUnix系OS環境である。基本概念（ファイル、プロセス、権限、シェル、サービス管理）を一度構造化して理解すると、ディストリビューション差分があっても応用が利くようになる。

参考文献 ​

  1. LinuC（LPI-Japan）連載：ファイルのアクセス権を理解する
    https://linuc.org/study/column/4154/
  2. GNU Coreutils Manual
    https://www.gnu.org/software/coreutils/manual/coreutils.html
  3. systemd manual（journalctl）
    https://www.freedesktop.org/software/systemd/man/journalctl.html

0. はじめに ​

本書は、Linuxを「毎日触る前提」で必要になる基礎を、概念→観測（コマンド出力）→操作の順に整理する文書である。GUI操作は補助扱いとし、コマンドラインを中心に説明する。

Linuxは用途により姿が変わるため、以下の層に分けて捉えると混乱が減る。

  • カーネル：プロセス、メモリ、ファイルシステム、ネットワーク、デバイス制御を担当する中核である
  • ユーザーランド：シェル、基本コマンド群、ライブラリ、サービス群である
  • ディストリビューション：上記を整えて配布し、更新・運用の仕組み（パッケージ管理や既定設定）を提供する集合である
  • 標準・規約：POSIX、FHSなどの互換性・配置の規約である

1. Linuxとは何か ​

1.1 Linux = カーネル、OS環境 = カーネル + ユーザーランド ​

厳密にはLinuxはカーネルを指す語であり、一般に「Linux OS」と呼ぶものは、GNUなどのユーザーランド、サービス群、設定体系、パッケージ管理を含む環境全体である。したがって、同じLinuxカーネルでもディストリビューションにより操作体系や既定値が変わる。

代表的なディストリビューションの系統を表に示す。

系統代表例パッケージ形式/ツール特徴
Debian系Debian, Ubuntu.deb / apt(apt-get)安定志向、情報量が多い
RHEL系RHEL, CentOS Stream, Rocky, Alma, Fedora.rpm / dnf(yum)企業利用が多い、systemd前提
SUSE系SLES, openSUSE.rpm / zypper企業向けが強い、資料が整備されやすい

注意として「コマンドが同じでも挙動が完全一致する」とは限らない。POSIXで定義される範囲と、GNU拡張や各実装の差分が存在するためである。

1.2 POSIXと互換性：移植性の軸 ​

POSIX（IEEE 1003.1）は、OSインタフェースとシェル・ユーティリティの共通仕様を定義し、ソースレベルでの移植性を狙う規格である。LinuxはPOSIX/SUS（Single UNIX Specification）互換を志向するが、完全一致ではなく、GNU拡張やLinux固有APIを含むのが通常である。

2. ドキュメント参照の基礎 ​

2.1 manページの読み方（セクション概念） ​

Linuxでは一次資料としてmanページが重要である。コマンド名が同じでも、セクションが異なると意味が異なる。

  • セクション1：ユーザーコマンド（例：chmod(1)）
  • セクション2：システムコール（例：umask(2)）
  • セクション5：設定ファイルの形式（例：systemd.unit(5) など）

表示例（概念）：

man 1 chmod
man 2 umask
man 5 systemd.unit

2.2 オプション体系：--help と man の役割分担 ​

--helpは「概略」、manは「完全な仕様」と見るのがよい。特に引数の意味、戻り値、終了ステータス、環境変数の影響はmanが一次資料である。

3. ファイルシステムの基本：階層・パス・特別な場所 ​

3.1 階層型名前空間：すべては / の下にある ​

Linuxでは、ファイルとディレクトリは単一の階層ツリーに属し、ルートは / である。別ディスクやネットワークストレージも「マウント」により、この木構造のどこかに接続される。

  • 絶対パス：/ から始まる（例：/home/user/data）
  • 相対パス：現在位置からの参照（例：./data, ../data）

3.2 FHS（Filesystem Hierarchy Standard）：配置の規約 ​

多くのLinuxで、ディレクトリの役割はFHS規約の影響を受ける。主な場所を表に示す。

パス役割（要約）
/bin, /usr/bin基本コマンド群（近年は統合される場合がある）
/sbin, /usr/sbin管理者向けコマンド群
/etcホスト固有の設定ファイル
/var変化するデータ（ログ、キャッシュ等）
/home一般ユーザーのホーム
/rootrootのホーム
/tmp一時ファイル（再起動で消える場合がある）
/proc, /sysカーネル情報の仮想ファイルシステム

規約は「絶対」ではないが、配置を知ると探索が速くなる。

3.3 ファイルの種類：普通のファイル以外が重要である ​

ls -l の先頭1文字はファイル種別を表す。

記号種類
-通常ファイル
dディレクトリ
lシンボリックリンク
cキャラクタデバイス
bブロックデバイス
p名前付きパイプ（FIFO）
sソケット

特に /dev 配下にはデバイスファイルが配置され、デバイス入出力が「ファイルとして」扱える設計である。

4. 多人数利用を前提とした制御 ​

4.1 主体（ユーザー）と集合（グループ） ​

Linuxでは、アクセス制御の主体はユーザーであり、ユーザーは1つ以上のグループに所属する。ユーザーID（UID）とグループID（GID）で内部的に管理される。

  • 所有者（user）
  • 所属グループ（group）
  • その他（others）

4.2 sudo と root：特権の付与方法 ​

rootは全権限を持つ管理者ユーザーである。直接rootとして常用するのではなく、通常は一般ユーザーでログインし、必要に応じてsudoで特権を付与する設計が一般的である。

5. パーミッションの理解 ​

5.1 rwx の意味（ファイルとディレクトリで異なる） ​

アクセス権は「読み取り（r）」「書き込み（w）」「実行（x）」で表されるが、ディレクトリではxが「入る（探索する）」の意味になる点が重要である。

対象rwx
ファイル内容を読む内容を変更する実行する
ディレクトリ一覧を読むエントリを追加/削除中に入る・探索する

例として、ディレクトリでxが無いと cd できず、ファイル名を知っていても参照できない場合がある。

5.2 数値（8進）表現：ビットとしての理解 ​

各主体（user/group/others）について、権限をビットで表し8進数にする。

  • r = 4
  • w = 2
  • x = 1

したがって、ある主体の権限値は次で与えられる。

d=4r+2w+1x

ここで r,w,x∈{0,1} である。

例：

  • rwx = 7
  • rw- = 6
  • r-x = 5
  • r-- = 4

chmod 755 は「所有者7、グループ5、その他5」を意味する。

5.3 umask：新規作成時の既定権限を決めるマスク ​

ファイル作成時に、要求モードからumaskに立っているビットが落とされる設計である。概念的にはビット演算として次で表せる。

meffective=mrequested∧¬u

ここで u はumaskである。

umaskはプロセスに紐づくため、シェルやサービスにより既定値が変わる点に注意する必要がある。

5.4 特殊ビット：setuid/setgid/sticky ​

通常のrwx以外に、以下の特殊ビットが存在する。

ビット意味（要約）代表例
setuid実行時に所有者権限で動く/usr/bin/passwd など
setgid実行時にグループ権限で動く、またはディレクトリ内のGID継承共有ディレクトリ
stickyディレクトリで「自分のファイルだけ削除可」/tmp

6. シェルの基本 ​

6.1 シェルは「コマンド解釈器」である ​

POSIXはシェル言語と共通ユーティリティ群を規定し、Bashなどはそれを拡張した実装である。シェルは、文字列をコマンドとして解釈し、プロセス生成と入出力接続を行う。

6.2 展開とクォート：文字列がそのまま渡らないことがある ​

シェルは「展開」を行う。代表例は以下である。

  • ワイルドカード（グロブ）：* ? []
  • 変数展開：$HOME, $
  • コマンド置換：$(command)

クォートは、展開の抑制や空白の扱いを制御する。単引用符 '...' は基本的に展開を抑制し、二重引用符 "..." は変数展開など一部は許可する、という理解から始めるのがよい。

6.3 リダイレクション：ファイルディスクリプタの付け替え ​

標準入出力はファイルディスクリプタで表される。

FD番号役割
0stdin
1stdout
2stderr

リダイレクションは、実行前にFDを別のファイル等へ向け直す機構である。概念例：

command > out.txt # stdoutをファイルへ
command 2> err.txt # stderrをファイルへ
command > out.txt 2>&1 # stderrをstdoutへ合流

6.4 パイプによる連結：標準出力を次へ渡す ​

記号 | は、前段のstdoutを後段のstdinへ接続する機構である。多段に連結すると、テキスト処理を分割統治できる。

概念例：

A | B | C

7. プロセスとジョブ制御：実行の単位を理解する ​

7.1 プロセス・PID・親子関係 ​

実行中のプログラムはプロセスであり、PIDを持つ。プロセスは親子関係を形成し、シェルは子プロセスとしてコマンドを起動する。

確認の基本概念：

  • 現在のプロセス一覧：ps
  • 継続的監視：top, htop
  • 特定名検索：pgrep

7.2 シグナル：停止・終了・制御の仕組み ​

プロセスはシグナルで制御される。代表例は以下である。

シグナル意味（要約）
SIGTERM通常の終了要求
SIGKILL強制終了（捕捉不可）
SIGINT割り込み（Ctrl+C）
SIGSTOP/SIGCONT停止/再開

強制終了は最後の手段として扱うのがよい。まずSIGTERMで終了処理の機会を与える設計が一般的である。

7.3 優先度：nice と CPUスケジューリング ​

プロセスの実行優先度は、nice値などで調整できる。これは「CPU時間の取り合い」を緩和するための制御であり、リアルタイム用途では別のスケジューリング方針がある。

8. サービス管理：systemd とユニット ​

8.1 systemdの位置づけ ​

多くの近代Linuxでは、init/サービス管理としてsystemdが採用されている。systemdは「ユニット」と呼ばれる単位でサービスやマウントなどを管理する。

ユニット種別の例：

  • service：常駐プロセス
  • timer：時刻起動
  • mount：マウント管理
  • socket：ソケット起動

8.2 systemctl：状態確認と操作 ​

systemctlはsystemdマネージャを制御するツールである。概念例：

systemctl status <unit>
systemctl start <unit>
systemctl stop <unit>
systemctl enable <unit>
systemctl disable <unit>

enable/disableは「自動起動の設定」であり、start/stopは「現在の起動状態」である、という区別が重要である。

8.3 journalctl：ログの一次資料 ​

systemd環境ではjournaldがログを収集し、journalctlで参照する。古いsyslog系と併用される場合もあるが、まずjournalctlで状況確認する流れが増えている。

概念例：

journalctl -u <unit>
journalctl -f
journalctl --since "2025-12-01"

9. ネットワークの基本 ​

9.1 名前解決：DNSと /etc/hosts ​

名前解決はDNSが基本であるが、/etc/hosts で静的に上書きできる。研究室内や検証環境では /etc/hosts が原因で名前が意図せず固定される場合があるため、解決経路を把握しておくとよい。

9.2 状態確認コマンド（概念） ​

  • ip：インタフェース、アドレス、ルーティング
  • ss：ソケット状態（netstatの後継として使われることが多い）
  • curl/wget：HTTP疎通と取得
  • ssh：リモートログインと鍵認証

10. パッケージ管理の基本 ​

10.1 パッケージ管理がOS利用の中心である理由 ​

Linuxではソフトウェア導入は原則としてパッケージ管理を通す。依存関係解決、署名、更新が一体化し、再現性と保守性が上がるためである。

10.2 Debian系：apt の考え方 ​

aptはリポジトリからパッケージを取得し、依存性を解決しつつ導入する。

概念例：

apt update
apt install <package>
apt upgrade
apt remove <package>

リポジトリ追加は強力である一方、信頼性と整合性に影響するため、追加の理由と出所を明確にするのがよい。

10.3 RHEL/Fedora系：dnf（yum）体系 ​

RHEL 8系では、dnf技術を基盤とするyumが提供され、yumはdnfのエイリアスとして扱われる。Fedoraではdnfが中心である。

概念例：

dnf install <package>
dnf upgrade
dnf remove <package>
dnf search <keyword>

11. 研究計算・開発環境で重要になるOS機能 ​

11.1 ストレージとマウント ​

外部ストレージ、ネットワークストレージ、コンテナ、仮想環境では「どこにマウントされているか」「誰が読めるか」が支配的である。df（容量）とmount（接続）を結び付けて理解するとよい。

11.2 ログと再現性 ​

異常時の一次資料はログである。systemd環境ではjournalctlが入口になりやすい。加えてアプリケーション固有ログが /var/log や /var/lib 配下に置かれるため、FHSの感覚が探索に効く。

11.3 コンテナと権限 ​

コンテナはプロセス隔離の一形態であり、ホストのカーネルを共有する。ユーザー名前空間やマウント名前空間などの理解が進むと、ファイル権限の問題が整理されやすい。

12. セキュリティの基本観点 ​

Linuxの安全性は「設計」よりも「設定と更新」の影響が大きい。基本方針として以下が重要である。

  • 不要なサービスを起動しない
  • sudoの付与範囲を絞る
  • 鍵認証を優先し、認証情報を分離する
  • パッケージ更新を継続する

13. 主要概念の対応表 ​

概念観測手段の例重要点
ファイル階層ls, find/ の下に統一される
権限ls -l, chmod, umaskディレクトリのxの意味が重要である
プロセスps, top, killシグナルの違いを理解する
サービスsystemctlenableとstartは別概念である
ログjournalctlユニット単位で追える
パッケージapt/dnf依存・更新が中核である

まとめと展望 ​

Linuxの基本は「すべてをファイルとして扱う設計」「プロセスと権限で制御する設計」「標準（POSIX）と規約（FHS）で互換性を担保する設計」に集約される。これらを層構造で理解すると、ディストリビューション差分やツール更新があっても、観測すべき対象（権限、ログ、ユニット、依存関係）が見失われにくくなる。

今後は、systemdとコンテナを前提とした環境がさらに一般化し、ログと権限、名前空間とファイル階層の理解がより重要になる展望である。一次資料（man、公式ドキュメント、規格）を軸に知識を更新する姿勢が、長期的に最も強い学習戦略である。

参考文献 ​

© 2025- tyamazaki