第14回：reale - GUI/OSフレームワーク（後編）

～OS抽象化レイヤーとプロセス制御～

はじめに

前回のGUI基盤に続き、今回はrealeのOS抽象化レイヤーとプロセス制御機能について解説します。

OS抽象化レイヤー

// OS抽象化の基本インターフェース
pub trait PlatformInterface: Send + Sync {
    fn name(&self) -> &str;
    fn version(&self) -> Version;
    fn capabilities(&self) -> PlatformCapabilities;
    
    // ファイルシステム操作
    fn create_file(&self, path: &Path) -> Result<Box<dyn File>>;
    fn remove_file(&self, path: &Path) -> Result<()>;
    fn create_directory(&self, path: &Path) -> Result<()>;
    
    // プロセス管理
    fn spawn_process(&self, config: ProcessConfig) -> Result<Box<dyn Process>>;
    fn current_process(&self) -> Result<Box<dyn Process>>;
    
    // システムリソース
    fn available_memory(&self) -> Result<u64>;
    fn cpu_usage(&self) -> Result<f64>;
    fn system_time(&self) -> Result<SystemTime>;
}

// プラットフォーム固有の実装
#[cfg(target_os = "linux")]
pub struct LinuxPlatform {
    system_calls: LinuxSystemCalls,
    file_system: LinuxFileSystem,
    process_manager: LinuxProcessManager,
}

#[cfg(target_os = "windows")]
pub struct WindowsPlatform {
    win32_api: Win32Api,
    file_system: WindowsFileSystem,
    process_manager: WindowsProcessManager,
}

// プラットフォーム抽象化レイヤー
pub struct PlatformLayer {
    platform: Box<dyn PlatformInterface>,
    cache: ResourceCache,
    monitor: SystemMonitor,
}

impl PlatformLayer {
    pub fn new() -> Result<Self> {
        let platform = Self::create_platform()?;
        let cache = ResourceCache::new();
        let monitor = SystemMonitor::new();
        
        Ok(Self {
            platform,
            cache,
            monitor,
        })
    }
    
    fn create_platform() -> Result<Box<dyn PlatformInterface>> {
        #[cfg(target_os = "linux")]
        {
            Ok(Box::new(LinuxPlatform::new()?))
        }
        #[cfg(target_os = "windows")]
        {
            Ok(Box::new(WindowsPlatform::new()?))
        }
        #[cfg(not(any(target_os = "linux", target_os = "windows")))]
        {
            Err(Error::UnsupportedPlatform)
        }
    }
}

リソース管理

// リソースマネージャー
pub struct ResourceManager {
    memory_manager: MemoryManager,
    handle_registry: HandleRegistry,
    resource_limits: ResourceLimits,
}

impl ResourceManager {
    pub fn allocate_resource<T: Resource>(&mut self, config: ResourceConfig) -> Result<ResourceHandle<T>> {
        // リソース制限のチェック
        self.resource_limits.check_allocation::<T>(&config)?;
        
        // メモリの割り当て
        let memory = self.memory_manager.allocate(config.memory_requirements())?;
        
        // リソースの作成
        let resource = T::create(config, memory)?;
        
        // ハンドルの登録
        let handle = self.handle_registry.register(resource)?;
        
        Ok(ResourceHandle::new(handle))
    }
    
    pub fn release_resource<T: Resource>(&mut self, handle: ResourceHandle<T>) -> Result<()> {
        // リソースの取得
        let resource = self.handle_registry.get(&handle)?;
        
        // リソースの解放
        resource.cleanup()?;
        
        // メモリの解放
        self.memory_manager.deallocate(resource.memory())?;
        
        // ハンドルの削除
        self.handle_registry.unregister(handle)
    }
}

// メモリ管理
pub struct MemoryManager {
    allocator: Box<dyn Allocator>,
    memory_map: MemoryMap,
}

impl MemoryManager {
    pub fn allocate(&mut self, size: usize) -> Result<MemoryBlock> {
        // メモリの割り当て
        let ptr = self.allocator.allocate(size)?;
        
        // メモリマップの更新
        let block = MemoryBlock::new(ptr, size);
        self.memory_map.register_block(block.clone())?;
        
        Ok(block)
    }
}

プロセス制御

// プロセス管理システム
pub struct ProcessManager {
    processes: HashMap<ProcessId, ProcessHandle>,
    scheduler: ProcessScheduler,
    ipc_manager: IpcManager,
}

impl ProcessManager {
    pub async fn spawn_process(&mut self, config: ProcessConfig) -> Result<ProcessId> {
        // プロセスの作成
        let process = Process::new(config)?;
        let process_id = process.id();
        
        // スケジューラーへの登録
        self.scheduler.register_process(process.clone())?;
        
        // プロセス間通信の設定
        self.ipc_manager.setup_channels(process_id)?;
        
        // プロセスの開始
        self.start_process(process).await?;
        
        Ok(process_id)
    }
    
    async fn start_process(&mut self, process: Process) -> Result<()> {
        // プロセスの初期化
        process.initialize().await?;
        
        // プロセスの実行
        tokio::spawn(async move {
            process.run().await
        });
        
        Ok(())
    }
}

// プロセススケジューラー
pub struct ProcessScheduler {
    scheduler_policy: Box<dyn SchedulerPolicy>,
    run_queue: RunQueue,
    time_slice: Duration,
}

impl ProcessScheduler {
    pub async fn schedule(&mut self) -> Result<()> {
        loop {
            // 次のプロセスの選択
            let process = self.scheduler_policy.select_next_process(&self.run_queue)?;
            
            // プロセスの実行
            self.execute_process(process).await?;
            
            // タイムスライスの待機
            tokio::time::sleep(self.time_slice).await;
        }
    }
}

// プロセス間通信
pub struct IpcManager {
    channels: HashMap<(ProcessId, ProcessId), IpcChannel>,
    message_queue: MessageQueue,
}

impl IpcManager {
    pub async fn send_message(
        &mut self,
        from: ProcessId,
        to: ProcessId,
        message: Message,
    ) -> Result<()> {
        // チャネルの取得または作成
        let channel = self.get_or_create_channel(from, to)?;
        
        // メッセージの送信
        channel.send(message).await
    }
    
    fn get_or_create_channel(&mut self, from: ProcessId, to: ProcessId) -> Result<&mut IpcChannel> {
        self.channels
            .entry((from, to))
            .or_insert_with(|| IpcChannel::new())
    }
}

実装例：クロスプラットフォームGUIアプリケーションの実装

// クロスプラットフォームアプリケーション
pub struct CrossPlatformApp {
    gui_system: GuiSystem,
    platform_layer: PlatformLayer,
    resource_manager: ResourceManager,
    process_manager: ProcessManager,
}

impl CrossPlatformApp {
    pub async fn new(config: AppConfig) -> Result<Self> {
        let gui_system = GuiSystem::new(config.gui_config).await?;
        let platform_layer = PlatformLayer::new()?;
        let resource_manager = ResourceManager::new(config.resource_config)?;
        let process_manager = ProcessManager::new(config.process_config)?;
        
        Ok(Self {
            gui_system,
            platform_layer,
            resource_manager,
            process_manager,
        })
    }
    
    pub async fn run(&mut self) -> Result<()> {
        // メインウィンドウの作成
        let main_window = self.create_main_window()?;
        
        // バックグラウンドプロセスの起動
        let background_process = self.spawn_background_process().await?;
        
        // メインループ
        loop {
            // GUIイベントの処理
            self.gui_system.process_events().await?;
            
            // プロセスの監視
            self.process_manager.monitor_processes().await?;
            
            // リソースの管理
            self.resource_manager.cleanup_unused_resources()?;
            
            // 画面の更新
            self.gui_system.render_frame().await?;
        }
    }
}

// 使用例
async fn main() -> Result<()> {
    let config = AppConfig::load("config.toml")?;
    let mut app = CrossPlatformApp::new(config).await?;
    
    app.run().await
}

今回のまとめ

効果的なOS抽象化レイヤーの設計
効率的なリソース管理の実装
柔軟なプロセス制御システム
クロスプラットフォームアプリケーションの実装例

次回予告

第15回では、モナディック設計の実践について解説します。ohamaにおけるモナド実装とカスタムモナドの作成について詳しく見ていきます。

参考資料

Operating System Design
Cross-Platform Development
Process Management Systems
Resource Management Patterns