シェル（コンピューティング）

コンピューティングにおいて、シェルとは、オペレーティングシステムのサービスを人間のユーザーや他のプログラムに公開するコンピュータプログラムです。一般的に、オペレーティングシステムシェルは、コンピュータの役割と特定の操作に応じて、コマンドラインインターフェイス(CLI) またはグラフィカルユーザーインターフェイス(GUI) のいずれかを使用します。オペレーティングシステムの最も外側の層であるため、シェルと呼ばれています。^{[1] [2]}

オペレーティング システムは、ファイル管理、プロセス管理 (アプリケーションの実行と終了)、バッチ処理、オペレーティング システムの監視と構成 など、さまざまなサービスをユーザーに提供します。

ほとんどのオペレーティングシステムシェルは、コンピュータに直接接続された周辺機器を介してユーザーと通信する場合でも、基礎となるカーネルへの直接のインターフェイスではありません。シェルは実際には、他のアプリケーションプログラムと同じようにカーネルAPIを使用する特別なアプリケーションです。シェルは、ユーザーに入力を促し、その入力を解釈し、基礎となるオペレーティングシステムからの出力を処理することで、ユーザーとシステムの対話を管理します（読み取り、評価、印刷ループ、REPLによく似ています）。^[3] オペレーティングシステムシェルは実際にはアプリケーションであるため、ほとんどのオペレーティングシステムでは、別の同様のアプリケーションに簡単に置き換えることができます。

ローカルシステムで実行されるシェルに加えて、リモートシステムをローカルユーザーが利用できるようにするさまざまな方法があります。このようなアプローチは通常、リモートアクセスまたはリモート管理と呼ばれます。リモートアクセスは、シリアルラインまたはモデムを介してメインフレームに接続されたテキストターミナルを使用して、各アクティブユーザーに同時にテキストベースのUIを提供するマルチユーザー メインフレームで最初に利用可能になりましたが、 Unix系システムとMicrosoft Windowsに拡張されました。Unix系システムでは、テキストベースのシェルには通常Secure Shellプロトコル（SSH）が使用されますが、 X Window Systemベースのグラフィカルユーザーインターフェイス（GUI）にはSSHトンネリングを使用できます。Microsoft Windowsでは、リモートデスクトッププロトコルを使用してGUIリモートアクセスを提供できます。また、 Windows Vista以降では、 WMI、RPC、およびWS-Managementを介してテキストベースのリモートアクセスにPowerShellリモートを使用できます。^[4]

ほとんどのオペレーティング システム シェルは、コマンド ラインとグラフィカルの 2 つのカテゴリのいずれかに分類されます。コマンド ライン シェルはオペレーティング システムにコマンド ライン インターフェイス (CLI) を提供し、グラフィカル シェルはグラフィカル ユーザー インターフェイス (GUI) を提供します。その他の可能性としては、それほど一般的ではありませんが、音声ユーザー インターフェイスや、テキスト ベースのメニュー システムなど、CLI ではないテキスト ベースのユーザー インターフェイス (TUI) のさまざまな実装があります。CLI ベースのシェルと GUI ベースのシェルの相対的な利点については、しばしば議論されています。多くのコンピューター ユーザーは、実行するタスクに応じて両方を使用します。

初期の対話型システムでは、常駐モニタの一部として単純なコマンドラインインタープリタが提供されていました。このインタープリタは、 COMCONDEC TOPS-10システムなどでは異なる名前で呼ばれることがあります。^[5]インタープリタは、定義済みのコマンドの1つを実行します。その1つは、ユーザープログラムを実行することです。一般的なコマンドは、ユーザーのシステムへのログオンとログアウト、デバイスとファイルの割り当て、解放、操作、システムまたはユーザープロセスに関するさまざまな情報の照会などです。^[6]

1964年、ルイ・プーザンはMulticsオペレーティングシステムのために「コマンドをプログラミング言語のように使う」というアイデアを考案し、それを表すためにシェルという用語を作った。 ^[8] 1965年の文書では、シェルは「コンソール制御下でアクティブな実行中のプロセスが他にない場合に、ユーザーがコンソールで何らかのメッセージを入力するたびにスーパーバイザーによって自動的に呼び出される共通プロシージャ。このプロシージャは、コンソールメッセージとサブルーチン（スーパーバイザー内）間のインターフェイスとして機能する」と定義されている。^{[9]このシステムは}、グレンダ・シュローダーとゼネラル・エレクトリックの無名の男性によって最初に実装された。^[10]

Multicsでは、後のすべてのシェルの重要な概念であるアクティブ関数も導入されました。これは次のように定義されます。

文字列...これは、それを含むコマンドラインが実行される前に、文字列の戻り値に置き換えられます。アクティブ関数は、コマンド言語のマクロを実装するためによく使用されます。^[11]

1971 年、ケン・トンプソンはUnix の最初のバージョンでトンプソン シェルを開発しました。このシェルは Multics シェルよりもシンプルでしたが、入出力のリダイレクトに < と > を使用するなど、現代のシェルにも引き継がれている革新的な機能がいくつか含まれていました。

グラフィカル シェルは、ダグラス エンゲルバートのNLSシステムで初めて登場しました。このシステムは、 1968 年 12 月にサンフランシスコで 開催されたFall Joint Computer Conferenceでデモが行われ、 The Mother of All Demosと呼ばれています。スタンフォード研究所のエンゲルバートの同僚がこの概念をゼロックスパロアルト研究所(PARC) に持ち込み、1973 年に発表されたAltoに採用されました。そこからこのアイデアは、1980 年にニクラウス ヴィルトのLilith、1983 年に Apple Lisaに広がり、広く普及しました。

コマンドライン インターフェイス(CLI) は、キーボードで入力された英数字を使用して、対話的にオペレーティング システムに指示とデータを提供するオペレーティング システム シェルです。たとえば、テレタイプライタは、キー入力を表すコードを、コンピュータで実行されているコマンド インタープリタ プログラムに送信できます。コマンド インタープリタはキー入力のシーケンスを解析し、文字のシーケンスを認識できない場合はエラー メッセージで応答するか、アプリケーション プログラムの読み込み、ファイルの一覧表示、ユーザーのログインなど、他のプログラム アクションを実行します。UNIX などのオペレーティング システムには、POSIX シェルを基準として、さまざまなコマンド、構文、機能を備えたさまざまなシェルプログラムがあります。一部のオペレーティング システムには、コマンド インターフェイスのスタイルが 1 つしかありませんでした。MS -DOSなどのコモディティ オペレーティング システムには、標準のコマンド インターフェイス ( COMMAND.COM ) が付属していましたが、メニューやリモート プログラム実行などの追加機能を提供するサード パーティ インターフェイスも利用できることが多かったです。

アプリケーション プログラムでは、コマンド ライン インターフェイスを実装することもできます。たとえば、Unix のようなシステムでは、telnetプログラムには、リモート コンピュータ システムへのリンクを制御するためのコマンドが多数あります。プログラムへのコマンドは、リモート コンピュータに送信されるデータと同じキーストロークで作成されるため、この 2 つを区別する何らかの手段が必要です。エスケープ シーケンスは、渡されることなく常にローカル システムによって解釈される特殊なローカル キーストロークを使用して定義できます。プログラムはモーダルになり、キーボードからのコマンドの解釈と、処理するデータとしてキーストロークを渡すことを切り替えます。

多くのコマンドライン シェルの特徴として、コマンドのシーケンスを保存して再利用できることが挙げられます。データ ファイルには、ユーザーが入力したかのように CLI が従うようにできるコマンドのシーケンスを含めることができます。これらの保存された命令を実行するときに、CLI の特別な機能が適用される場合があります。このようなバッチ ファイル(スクリプト ファイル) は、システムの再起動時に一連のプログラムを初期化するなどのルーチン操作を自動化するために繰り返し使用できます。シェルのバッチ モードの使用には通常、構造、条件、変数、およびプログラミング言語のその他の要素が含まれます。シェルの中には、このような目的に必要な最低限の機能しか備えていないものもあれば、それ自体が非常に高度なプログラミング言語であるものもあります。逆に、一部のプログラミング言語は、オペレーティング システム シェルから対話的に使用することも、専用のプログラムで使用することも可能です。

Nushell、Xonsh、Bash（Unixシェル）、Zシェルなどのいくつかのコマンドラインシェルはコマンドライン補完機能を提供しており、ユーザーが入力した数文字に基づいてインタープリタがコマンドを展開することができます。^[12]

コマンドライン インタープリタには履歴機能が用意されており、ユーザーは以前にシステムに対して発行したコマンドを呼び出して、編集を加えて繰り返すことができます。オペレーティング システムに対するすべてのコマンドはユーザーが入力する必要があったため、短いコマンド名とプログラム オプションを表す簡潔なシステムが一般的でした。短い名前はユーザーにとって思い出しにくい場合があり、初期のシステムには詳細なオンライン ユーザー ガイドを提供するためのストレージ リソースが不足していました。

グラフィカル ユーザー インターフェイス (GUI) は、ウィンドウを開く、閉じる、移動、サイズ変更、ウィンドウ間のフォーカスの切り替えなどの操作を可能にすることで、プログラムをグラフィカルに操作する手段を提供します。グラフィカル シェルは、デスクトップ環境に含まれている場合もあれば、疎結合ユーティリティのセットとして個別に提供される場合もあります。

ほとんどのグラフィカル ユーザー インターフェイスは、 「電子デスクトップ」のメタファーを開発しており、データ ファイルは机の上の紙の文書のように表現され、アプリケーション プログラムも同様にコマンド名で呼び出されるのではなくグラフィカルに表現されます。

グラフィカル シェルは通常、ウィンドウ システムの上に構築されます。X Window SystemまたはWaylandの場合、シェルはそれぞれX ウィンドウ マネージャーまたはWayland コンポジターと、インストールされたアプリケーションの起動、開いているウィンドウと仮想デスクトップの管理、および多くの場合ウィジェット エンジンのサポート機能を提供する 1 つまたは複数のプログラムで構成されます。

macOSの場合、Quartz Compositorがウィンドウシステムとして機能し、シェルはFinder、^[13]、 Dock 、^[13]、 SystemUIServer、^[13] 、 Mission Control ^[14]で構成されています。

Microsoft Windows オペレーティング システムの最新バージョンでは、シェルとしてWindows シェルが使用されています。Windows シェルは、デスクトップ環境、スタート メニュー、タスク バーのほか、オペレーティング システムのファイル管理機能にアクセスするためのグラフィカル ユーザー インターフェイスを提供します。古いバージョンには、Microsoft Windows 3.x シリーズのシェルであったプログラム マネージャも含まれており、少なくとも Windows XP までは、95 および NT タイプの以降のバージョンの Windows に実際に付属していました。Windows バージョン 1 と 2 のインターフェイスは著しく異なっていました。

デスクトップ アプリケーションも、サード パーティ エンジンを使用している限り、シェルと見なされます。同様に、Windows Explorer のインターフェイスに満足していない多くの個人や開発者が、シェルの機能と外観を変更したり、シェルを完全に置き換えたりするソフトウェアを開発しました。StarDockのWindowBlinds は、前者の種類のアプリケーションの良い例です。LiteStepと Emerge Desktop は、後者の良い例です。

相互運用性プログラムと専用ソフトウェアにより、Windows ユーザーは、Macintosh だけでなく、以下で説明するさまざまな Unix ベースの GUI の多くと同等のものを使用できます。バージョン 3.0 の OS/2 プレゼンテーション マネージャーと同等のものは、Windows NT のバージョンで OS/2環境サブシステムを使用して、特定の条件下で一部の OS/2 プログラムを実行できます。

「シェル」は、自然界に見られるシェルに似て、Web ブラウザや電子メール クライアントなどの特定のコンポーネントを「中心に構築」されたアプリケーション ソフトウェアを表すためにも広く使用されています。実際、(コマンドライン) シェルはオペレーティング システムカーネルをカプセル化します。これらは「ラッパー」と呼ばれることもあります。^[2]

エキスパートシステムにおいて、シェルは特定のアプリケーションに関する知識ベースを持たない「空の」エキスパートシステムであるソフトウェアである。^[15]