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なぜ print(‘hello’) は表示されるのか ── 1行のPythonが動くまで

2025.05.19

なぜ print(‘hello’) は表示されるのか ── 1行のPythonが動くまで

はじめに
- 取り上げるレイヤとスコープ
- ゴール
1. シェルがやっていること
- 1-1. コマンド解析と実行可能判定
- 1-2. プロセス生成
2. shebangとインタプリタの解決
- 2-1. shebangは誰が読む？
- 2-2. /usr/bin/env python3 の意味とPATH解決
3. Pythonがスクリプトをどう処理するか
4. I/O ルート
5. カーネルI/Oでの write() 処理(標準出力の場合)
- 5-1. Virtual File System (VFS)
- 5‑2. 端末(TTY) へのルート
6. 全レイヤの俯瞰と要点まとめ
- 6-1. print('hello, world') という1行の裏起こること
- 6‑2. レイヤ別 "ここを見る" チェックリスト
7. おわりに

はじめに

#!/usr/bin/env python3
print('hello, world')

このPythonスクリプトを hello.py として保存し，ターミナルで実行すると，たいていのLinux環境では何事もなく hello, world の文字列が表示されます。

一見当たり前に思えるこの挙動の裏では，シェル・カーネル・インタプリタが連携して，多くのシステムコールが呼び出されています。
本記事では，その舞台裏をレイヤごとに覗き込みます。

取り上げるレイヤとスコープ

本稿に登場するレイヤは次のような図をイメージしています。
それぞれの説明は本文中に記載します。

どのていど説明するの？
本稿では「実際にカーネルが呼ばれる地点」にフォーカスをあてて構成します。
システムコールやlibc層の関数については名称は出しますが詳細なAPIの説明は割愛します。

ゴール

hello, world がどの層でどう処理されるかの理解を深める
シェルが悪いのか，Pythonが悪いのか，それともカーネルか。を切り分けるヒントを学ぶ

1. シェルがやっていること

1-1. コマンド解析と実行可能判定

構文解釈
bash は入力された文字列 ./hello.py をトークンに分割し，最初の部分が相対パスであることを判断します
ここではカレントディレクトリに存在する hello.py を指しています
ファイル探索と権限チェック
- ファイルが存在しているか，実行ビット x が付与されているかを確認
- 実行ビットが無い場合 → "Permission denied" を即時出力して実行を中断
実行準備
bash は自プロセスを残したまま子プロセスを生成

hint
実行に失敗する場合は権限不足が原因となるケースがあります。トラブル時はまず ls -l で実行ビット x が付与されているかを確認してみてください。

1-2. プロセス生成

子プロセスを生成
bash はまず自プロセスで access() などを使って実行権限を確認したあと， fork() (内部では clone3 または clone が呼ばれる) で子プロセスを作ります
子プロセス側の処理
- 子プロセスで execve("./hello.py", …) を発行し，自身を hello.py で置き換えます。
- 親プロセスである bash 本体は waitpid() で，子プロセスの終了を待機

2. shebangとインタプリタの解決

2-1. shebangは誰が読む？

execve() 直後のカーネル処理
カーネルはファイルの先頭を検査し， #! から始まっていれば，スクリプト扱いと判断されます
shebang文字列を解釈
以降の文字列を実行すべきプログラムと引数としてパースします
メモリ再ロード
元の hello.py プロセスは破棄され，shebangで指定されたプログラムに置き換わります

2-2. `/usr/bin/env python3` の意味とPATH解決

shebangのコマンド部分は /usr/bin/env
env がPATHを走査し python3 を探索
見つかった python3 に hello.py を渡して execve() を実行
- strace を実行すると複数回にわたって execve() が呼び出されていることが確認できます

hint
複数バージョンのPythonが混在している環境では，どの python3 が呼ばれたかを which -a python3 で確認すると依存関係トラブル解決の助けになります。

3. Pythonがスクリプトをどう処理するか

3-1. ソース読み込み → 抽象構文木(AST)

hello.py を読み取り字句解析でトークン化
パーサがASTを生成

$ python3 -m ast hello.py
Module(
   body=[
      Expr(
         value=Call(
            func=Name(id='print', ctx=Load()),
            args=[
               Constant(value='hello, world')]))])

このように実行すると，スクリプトのASTを確認することができます。

3-2. AST → バイトコード

コンパイラが各ノードをPythonバイトコードに変換します。
バイトコードは，後述する「Python仮想マシン」がスクリプトを実行するための中間表現です。
実際にどんな命令が生成されているかは，標準ライブラリの dis モジュールで確認できます。

import dis
dis.dis("print('hello, world')")

  0           RESUME                   0

  1           LOAD_NAME                0 (print)
              PUSH_NULL
              LOAD_CONST               0 ('hello, world')
              CALL                     1
              RETURN_VALUE

3-3. バイトコード評価

生成されたバイトコードは，Pythonインタプリタの評価ループによって命令単位で実行されます。
このループの実装は，次のような処理をしています:

スタックに値を積む/取り出す
関数を呼び出す
例外処理を挟む

ここで先程の命令が処理され，最終的に print() 関数が呼ばれます。

note
Python v3.11 以降はSpecializing Adaptive Interpreter (適応的特殊化インタプリタ) が導入され，評価プロセスの最適化が進みました。

4. I/O ルート

4-1. `print()` の内部

print() はPythonの組み込み関数で，内部的には sys.stdout.write() を呼ぶように実装されています。
sys.stdout オブジェクトは，次のような多層にラップされた出力ストリームオブジェクトです。

# デフォルト設定の例

TextIOWrapper
 |
 +-- BufferedWriter
      |
      +-- FileIO (C拡張，最下層)

各層の役割:

TextIOWrapper : 文字列をバイト列にエンコード
BufferedWriter : バッファリング処理
FileIO : 最終的にOSのファイル記述子に対して書き込み

4‑2. `write()` によるファイルディスクリプタへの書き出し

内部 C 実装で直接 write(fd=1, buf, len) を呼び出す
fd = ファイルディスクリプタ。すぐ後ろのセクションに補足を記載しています
カーネルは fd=1 の対象TTYへバッファをコピー
仮想端末ドライバが画面バッファに反映し，文字が出力されます

4-3. (補足) ファイルディスクリプタと標準出力

UNIX系のOSでは，すべての入出力はファイルディスクリプタ(fd)を介して行われます。
通常のプロセスは起動時に以下の3つfdを持っています

ファイルディスクリプタ	意味
0	標準入力 (stdin)
1	標準出力 (stdout)
2	標準エラー出力 (stderr)

つまり，Pythonから最終的に fd = 1 に "hello, world\n" が送られることで，ターミナルに文字列が表示されるわけです。

5. カーネルI/Oでの `write()` 処理(標準出力の場合)

5-1. Virtual File System (VFS)

sys_write() システムコールは，最初にVFSという抽象レイヤに入ります。
このVFSは，異なる種類のファイルやデバイスに対して統一的なインターフェースを提供する役割を持っています。

呼び出し手順は次のようになります:

ファイルディスクリプタ(fd) に基づいて， struct file を取得します。
その struct file が指すファイル操作の関数ポインタを介して，適切なデバイスドライバ(この場合はTTYドライバ)を呼び出します。
TTY: UNIX系のOSが"端末"として扱う入出力デバイスの総称
TTYドライバの tty_write() を実行し，データを画面に書き込みます。

5‑2. 端末(TTY) へのルート

write() が呼ばれてから画面に hello, world が出力されるまで，データは次のように流れていきます。

ユーザ空間
   │ write(fd=1, ...)
   v
カーネル空間
   sys_write() → VFS → tty_write() → バッファ → 画面

実際に画面出力されるまでの過程では，割り込みやスケジューラを介して非同期に処理されます。
これらの処理はスタックに積まれ，すべて解決するとユーザプロンプトが返ってきます。

6. 全レイヤの俯瞰と要点まとめ

6-1. `print('hello, world')` という1行の裏起こること

これまで説明したものを短く求めると次のようになります:

処理の主体	処理の流れ
ユーザ入力	`./hello.py`
シェル	`access()` → `clone()` → 子プロセスに分離 → `execve(hello.py)`
カーネル	shebang解析 → `execve(python3)`
Python VM	ソース → AST → バイトコード → `print()`
I/Oスタック	`TextIO` → `Buffered` → `FileIO` → `write()`
カーネルI/O	VFS → `tty_write()` → (割り込み処理(IRQ))
端末	画面に "hello, world" が表示される

6‑2. レイヤ別 "ここを見る" チェックリスト

今回ご紹介した視点で処理や障害を追跡するツールをまとめました:

レイヤ	ツール	障害切り分けのポイント
シェル	`ls -l`, `which`	実行ビットとPATH
カーネル	`strace`, `dmesg`	execveの呼び出し, I/O ブロック
Python	`python3 -m dis`, `python3 -u`	バッファ遅延・バイトコード確認
I/O	`stty -a`, `/dev/pts`	tty ごとの設定違い