ランタイムシステム

コンピュータプログラミングにおいて、ランタイムシステムまたはランタイム環境は、プログラムが作成されたコンピュータと、プログラムが実行されるコンピュータ内に存在するサブシステムです。この名前は、コンパイル言語のコンパイル時間とランタイムの区分に由来しており、同様に、プログラムの作成（コンパイル）とターゲットマシンでの実行（ランタイム）に関係するコンピュータプロセスを区別しています。^[1]

ほとんどのプログラミング言語には、プログラムを実行する環境を提供する何らかの形のランタイムシステムがあります。この環境は、アプリケーションメモリの管理、プログラムが変数にアクセスする方法、プロシージャ間でパラメータを渡すメカニズム、オペレーティングシステム（OS）とのインターフェイスなど、さまざまな問題に対処することができます。コンパイラは、特定のランタイムシステムに応じて仮定を行い、正しいコードを生成します。通常、ランタイムシステムはスタックとヒープの設定と管理に何らかの責任を持ち、ガベージコレクション、スレッド、または言語に組み込まれたその他の動的機能などの機能を含む場合があります。 ^[1]

すべてのプログラミング言語は実行モデルを指定し、多くの言語ではそのモデルの少なくとも一部をランタイム システムに実装しています。ランタイム システムの動作の定義の 1 つは、「プログラム自体に直接起因しない動作」です。この定義には、関数呼び出しの前にパラメータをスタックに置くこと、関連する動作の並列実行、およびディスクI/Oが含まれます。

この定義によれば、コンパイル言語、インタープリタ言語、組み込みドメイン固有言語など、基本的にすべての言語にランタイム システムがあります。Pthreads ( POSIXスレッド)などのAPI呼び出しスタンドアロン実行モデルにも、実行モデルの動作を実装するランタイム システムがあります。

ランタイムシステムに関するほとんどの学術論文は、並列ランタイムシステムの実装の詳細に焦点を当てています。並列ランタイムシステムの注目すべき例としては、人気のある並列プログラミングモデルであるCilkがあります。 ^[2]プロトランタイムツールキットは、並列ランタイムシステムの作成を簡素化するために作成されました。^[3]

実行モデルの動作に加えて、ランタイムシステムは、型チェック、デバッグ、コード生成と最適化などのサポートサービスも実行することがある。^[4]

ランタイム システムは、実行中のプログラムがランタイム環境と対話するためのゲートウェイでもあります。ランタイム環境には、アクセス可能な状態値だけでなく、実行中にプログラムが対話できるアクティブなエンティティも含まれます。たとえば、環境変数は多くのオペレーティング システムの機能であり、ランタイム環境の一部です。実行中のプログラムは、ランタイム システムを介して環境変数にアクセスできます。同様に、ディスクや DVD ドライブなどのハードウェア デバイスは、プログラムがランタイム システムを介して対話できるアクティブなエンティティです。

ランタイム環境のユニークな用途の 1 つは、ランタイム環境の実行のみを許可するオペレーティング システム内での使用です。つまり、起動から電源オフまで、OS 全体がそのランタイム環境内で実行されるアプリケーション専用になります。実行しようとするその他のコードやアプリケーションで障害が発生すると、ランタイム環境が壊れます。ランタイム環境が壊れると、OS も壊れ、すべての処理が停止して再起動が必要になります。ブートが読み取り専用メモリから行われると、非常に安全でシンプルな単一ミッション システムが作成されます。

このような直接バンドルされたランタイム システムの例は次のとおりです。

• 1983年から1984年にかけて、デジタルリサーチはIBM PC向けのビジネスおよび教育用アプリケーションのいくつかを、ランタイム環境としてCP/M-86の縮小版であるSpeedStart CP/M-86をバンドルした起動可能なフロッピーディスクで提供しました。^{[5] [6] [7] [8] [9]}
• Ventura Publisher（1986–1993）^{[10] 、} Artline（1988–1991）^{[10] 、} Timeworks Publisher（1988–1991）およびViewMAX（1990–1992）^{[11] [12] [13]}の一部のスタンドアロンバージョンには、ランタイム環境としてDigital ResearchのGEMの特別なランタイムバージョンが含まれていました。^[10]
• 1990年代後半、JP Softwareのコマンドラインプロセッサ4DOSは、 BATCOMPのコンパイル済みおよび暗号化されたバッチジョブとリンクして、バッチスクリプトから変更不可能な実行ファイルを作成し、4DOSがインストールされていないシステムでも実行できる特別なランタイムバージョンとしてオプションで利用可能でした。^[14]

C 言語のランタイム システムは、コンパイラによって実行可能イメージに挿入される特定の命令セットです。これらの命令は、プロセス スタックの管理、ローカル変数用のスペースの作成、関数呼び出しパラメータのスタックの先頭へのコピーなどを行います。

多くの場合、どの言語動作がランタイム システム自体の一部で、どの動作が特定のソース プログラムによって決定できるかを判断する明確な基準はありません。たとえば、C では、スタックのセットアップはランタイム システムの一部です。動作はグローバルに不変であるため、個々のプログラムのセマンティクスによって決定されることはありません。つまり、すべての実行にわたって適用されます。この体系的な動作は、特定のプログラムのセマンティクスを実装するのではなく、言語の実行モデルを実装します(テキストが結果を計算するコードに直接変換されます)。

特定のプログラムのセマンティクスとランタイム環境の分離は、プログラムをコンパイルするさまざまな方法に反映されています。つまり、ソース コードをすべての関数を含むオブジェクト ファイルにコンパイルする方法と、プログラム全体を実行可能バイナリにコンパイルする方法です。オブジェクト ファイルには、含まれている関数に関連するアセンブリ コードのみが含まれ、実行可能バイナリにはランタイム環境を実装する追加のコードが含まれます。オブジェクト ファイルには、リンクによって解決されるランタイム環境からの情報が欠落している可能性があります。一方、オブジェクト ファイル内のコードは、依然としてランタイム システムの想定に依存しています。たとえば、関数は、ランタイム環境で使用される呼び出し規則に応じて、特定のレジスタまたはスタック位置からパラメーターを読み取る場合があります。

もう 1 つの例は、アプリケーション プログラミング インターフェイス(API) を使用してランタイム システムと対話する場合です。その API の呼び出しは、通常のソフトウェア ライブラリの呼び出しと同じように見えますが、呼び出し中のある時点で実行モデルが変わります。ランタイム システムは、ライブラリが記述されている言語とは異なる実行モデルを実装します。通常のライブラリのコードを読む人は、ライブラリが記述された言語を知るだけで、ライブラリの動作を理解できます。ただし、ランタイム システムを呼び出す API のコードを読む人は、呼び出しが記述された言語を知るだけでは、API 呼び出しの動作を理解することはできません。ある時点で、何らかのメカニズムによって、実行モデルは呼び出しが記述された言語の実行モデルではなくなり、ランタイム システムによって実装された実行モデルに切り替わります。たとえば、trap 命令は実行モデルを切り替える 1 つの方法です。この違いが、Pthreads などの API によって呼び出される実行モデルと通常のソフトウェア ライブラリを区別するものです。 Pthreads 呼び出しとソフトウェア ライブラリ呼び出しはどちらも API 経由で呼び出されますが、Pthreads の動作は呼び出しの言語の観点からは理解できません。むしろ、Pthreads 呼び出しは、Pthreads ランタイム システム (このランタイム システムは多くの場合 OS カーネル) によって実装される外部実行モデルを活用します。

極端な例として、物理 CPU 自体を特定のアセンブリ言語のランタイム システムの実装と見なすことができます。この見方では、実行モデルは物理 CPU とメモリ システムによって実装されます。類推すると、高レベル言語のランタイム システム自体は他の言語を使用して実装されます。これにより、ランタイム システムの階層が作成され、CPU 自体 (または実際にはマイクロコードレイヤー以下のロジック) が最下位のランタイム システムとして機能します。

一部のコンパイル言語またはインタープリタ言語では、アプリケーション コードがランタイム システムと直接対話できるようにするインターフェイスが提供されています。例として、Java 言語Threadの クラスがあります。このクラスを使用すると、(1 つのスレッドによって実行される) コードが他のスレッドの開始や停止などの操作を実行できます。通常、タスクのスケジュール設定やリソース管理などの言語の動作のコア部分には、この方法ではアクセスできません。

ランタイム システムによって実装される高レベルの動作には、画面にテキストを描画したり、インターネットに接続したりするタスクが含まれる場合があります。オペレーティング システムもこれらの種類の動作を提供することが多く、使用可能な場合は、ランタイム システムは、ランタイム システムの呼び出しをオペレーティング システムの呼び出しに変換する抽象化レイヤーとして実装されます。これにより、さまざまなオペレーティング システムによって提供されるサービスの複雑さやバリエーションが隠されます。これは、OS カーネル自体をランタイム システムと見なすことができ、OS の動作を呼び出す一連の OS 呼び出しをランタイム システムとの対話と見なすことができることも意味します。

限界的には、ランタイム システムは、プロセッサの命令セットさえも隠すP コード マシンや仮想マシンなどのサービスを提供する場合があります。これは、 AWKなどの多くのインタープリタ言語や、マシンに依存しない中間表現コード (バイトコードなど)にコンパイルされることを意図したJavaなどの一部の言語で採用されているアプローチです。この構成により、言語の実装とさまざまなマシンへの適応のタスクが簡素化され、リフレクティブ プログラミングなどの高度な言語機能の効率が向上します。また、明示的な再コンパイル手順なしで、同じプログラムをどのマシンでも実行できるようになります。これは、 World Wide Webの普及以来非常に重要になっている機能です。実行を高速化するために、一部のランタイム システムでは、マシン コードへのジャストインタイム コンパイルを特徴としています。

ランタイム システムの現代的な側面は、 Pthreadsの mutex 構造やOpenMPの並列セクション構造によって示される動作などの並列実行動作です。このような並列実行動作を備えたランタイム システムは、プロトランタイム アプローチに従って モジュール化できます。

ランタイム システムの初期の注目すべき例としては、BASICとLispのインタープリタがあります。これらの環境には、ガベージ コレクタも含まれていました。Forth は、中間表現コードにコンパイルされるように設計された言語の初期の例です。そのランタイム システムは、そのコードを解釈する仮想マシンでした。もう 1 つの有名な例としては、理論的なものではありますが、ドナルド クヌースのMIXコンピュータがあります。

動的メモリ割り当てをサポートするC以降の言語では、ランタイム システムにプログラムのメモリ プールを管理するライブラリも含まれていました。

オブジェクト指向プログラミング言語では、ランタイム システムが動的な型チェックやメソッド参照の解決も担当することがよくありました。

• 実行モデル
• プログラミングモデル
• ランタイム（プログラムライフサイクルフェーズ）
• 自己ブーター
• 静的ビルド

• 「NAME ENTX - Microsoft MS-DOS Computer Pascal ランタイム システム コントロール」。1.00。Microsoft Corp. 1981。2018 年 9 月 23 日にオリジナルからアーカイブ。2018年 9 月 23 日に取得。

• ウィクショナリーの「ランタイム」の辞書定義