コンピュータのマルチタスク

コンピューティングにおいて、マルチタスクとは、複数のタスク (プロセスとも呼ばれる) を一定期間にわたって同時に実行することです。新しいタスクは、すでに開始されているタスクが終了するのを待たずに、そのタスクが終了する前に中断することができます。その結果、コンピュータは複数のタスクのセグメントをインターリーブ方式で実行し、タスクは中央処理装置(CPU) やメイン メモリなどの共通の処理リソースを共有します。マルチタスクは、実行中のプログラムに自動的に割り込んでその状態 (部分的な結果、メモリの内容、コンピュータ レジスタの内容) を保存し、別のプログラムの保存された状態をロードして制御をそのプログラムに移します。この「コンテキスト スイッチ」は、一定の時間間隔で開始される場合もあれば (プリエンプティブ マルチタスク)、実行中のプログラムが、中断できるときに監視ソフトウェアに信号を送るようにコーディングされている場合もあります (協調的マルチタスク)。

マルチタスクでは、複数のタスクを同時に並行して実行する必要はありません。代わりに、指定された期間内に複数のタスクを進めることができます。^[1]マルチプロセッサコンピュータでも、マルチタスクによりCPUの数よりも多くのタスクを実行できます。

マルチタスクは、少なくとも 1960 年代からコンピュータ オペレーティング システムの一般的な機能です。これにより、コンピュータ ハードウェアをより効率的に使用できます。プログラムがユーザー入力や周辺機器との入出力転送などの外部イベントの完了を待っている間も、中央プロセッサは別のプログラムで使用できます。タイムシェアリングシステムでは、複数の人間のオペレータが同じプロセッサを自分専用であるかのように使用しますが、裏ではコンピュータが個々のプログラムをマルチタスク化して多くのユーザーにサービスを提供します。マルチプログラミングシステムでは、タスクは外部イベントを待つ必要があるか、オペレーティング システムのスケジューラが実行中のタスクを CPU から強制的にスワップするまで実行されます。産業用ロボットを制御するように設計されたリアルタイムシステムでは、タイムリーな処理が必要です。単一のプロセッサを、機械の動き、通信、およびユーザー インターフェイスの計算で共有する場合があります。^[2]

多くの場合、マルチタスク オペレーティング システムには、個々のタスクの優先順位を変更する手段が組み込まれているため、重要なジョブには、それほど重要でないと見なされるジョブよりも多くのプロセッサ時間が割り当てられます。オペレーティング システムによっては、タスクがアプリケーション プログラム全体と同じくらいの大きさになる場合もあれば、プログラム全体の一部を実行する 小さなスレッドで構成される場合もあります。

マルチタスク オペレーティング システムで使用することを目的としたプロセッサには、メモリ保護や、ユーザー モード プログラム エラーによって監視ソフトウェアが損傷したり破壊されたりしないようにする保護リングなど、複数のタスクを安全にサポートするための特殊なハードウェアが含まれている場合があります。

「マルチタスク」という用語は、ドイツ語、イタリア語、オランダ語、ルーマニア語、チェコ語、デンマーク語、ノルウェー語など、他の多くの言語で同じ単語が使用されているため、国際的な用語になっています。

コンピューティングの初期の頃は、CPU 時間は高価で、周辺機器は非常に低速でした。周辺機器へのアクセスを必要とするプログラムをコンピュータが実行する場合、周辺機器がデータを処理している間、中央処理装置 (CPU) はプログラム命令の実行を停止する必要がありました。これは通常、非常に非効率的でした。マルチプログラミングは、複数のプログラムを同時にコンピュータのメモリにロードして実行し、CPU がそれらのプログラムをすばやく切り替えることができるコンピューティング技術です。これにより、CPU がタスクの実行に関与し続けることで CPU の使用率が最適化されます。これは、1 つのプログラムが I/O 操作の完了を待っている場合に特に便利です。

Bull Gamma 60 は、1957 年に最初に設計され、1960 年に初めてリリースされた、マルチプログラミングを念頭に設計された最初のコンピュータでした。そのアーキテクチャは、中央メモリと、最大 25 個の自律処理ユニットにコードとデータを供給し、複数のクラスターの同時操作を可能にするプログラム ディストリビュータを特徴としていました。

同様のコンピュータとしては、1961年に初めてリリースされたLEO IIIがある。バッチ処理中に、複数の異なるプログラムがコンピュータのメモリにロードされ、最初のプログラムが実行を開始する。最初のプログラムが周辺機器を待つ命令に到達すると、このプログラムのコンテキストは保存され、メモリ内の2番目のプログラムが実行される。このプロセスは、すべてのプログラムの実行が終了するまで続行された。^[3]

仮想メモリと仮想マシン技術の登場により、マルチプログラミングの使用が強化され、個々のプログラムは、実質的に同時に実行される他のプログラムが存在しないかのように、メモリとオペレーティングシステムのリソースを利用できるようになりました。^{[引用が必要]}

マルチプログラミングでは、プログラムが時間通りに実行されるという保証はありません。実際、最初のプログラムは、周辺機器にアクセスすることなく何時間も実行される可能性があります。対話型端末で待っているユーザーがいなかったので、これは問題ではありませんでした。ユーザーはパンチカードのデッキをオペレーターに渡し、数時間後に印刷された結果を受け取りに戻りました。マルチプログラミングにより、複数のバッチが処理されているときの待ち時間が大幅に短縮されました。^{[4] [5]}

初期のマルチタスクシステムでは、アプリケーションが自発的に時間を譲り合っていました。このアプローチは、最終的に多くのコンピュータオペレーティングシステムでサポートされ、今日では協調マルチタスクとして知られています。現在では、CICSやJES2サブシステムなどの特定のアプリケーションを除いて、大規模なシステムではほとんど使用されていませんが、協調マルチタスクは、かつてMicrosoft WindowsとクラシックMac OSで複数のアプリケーションを同時に実行できるようにするために採用された唯一のスケジューリング方式でした。協調マルチタスクは、今日でもRISC OSシステムで使用されています。^[6]

協調型マルチタスク システムでは、各プロセスがシステム上の他のプロセスに定期的に時間を譲ることに依存しているため、設計が不十分なプログラムが、膨大な計算を実行するかビジー待機することによって、CPU 時間をすべて消費する可能性があります。どちらの場合も、システム全体がハングアップします。サーバー環境では、これは環境全体を許容できないほど脆弱にする危険です。

プリエンプティブ マルチタスクにより、コンピュータ システムは各プロセスに一定の動作時間をより確実に保証できます。また、システムが、いずれかのプロセスがすぐに対応する必要がある可能性のある、受信データなどの重要な外部イベントに迅速に対処することもできます。オペレーティング システムは、これらのハードウェア機能を活用し、複数のプロセスをプリエンプティブに実行するために開発されました。プリエンプティブ マルチタスクは、1964 年にPDP-6 モニターとMultics、 1967 年にOS/360 MFT、 1969 年にUnixに実装され、 DEC の PDP-8 のような小型コンピュータ用の一部のオペレーティング システムで利用可能でした。これは、 Linux、Solaris、BSDとその派生、^[7]、および Windows の最新バージョンなど、 すべてのUnix 系オペレーティング システムのコア機能です。

特定の時点で、プロセスは 2 つのカテゴリに分類できます。入力または出力を待機しているプロセス (「I/O バウンド」と呼ばれる) と、CPU を完全に使用しているプロセス (「CPU バウンド」) です。原始的なシステムでは、ソフトウェアは要求された入力 (ディスク、キーボード、ネットワーク入力など) を待機している間、しばしば「ポーリング」または「ビジーウェイト」を実行していました。この間、システムは有効な作業を実行していませんでした。割り込みとプリエンプティブ マルチタスクの登場により、I/O バウンド プロセスは必要なデータが到着するまで「ブロック」または保留にされ、他のプロセスが CPU を利用できるようになりました。要求されたデータが到着すると割り込みが生成されるため、ブロックされたプロセスはタイムリーに実行に戻ることが保証されました。^{[引用が必要]}

おそらく、家庭で利用できる最も古いプリエンプティブ マルチタスク OS は、MicrowareのOS-9で、 Motorola 6809をベースにしたコンピュータ、例えばTRS-80 Color Computer 2で利用できました^[8] 。この OS は、ディスク搭載システムのアップグレードとして Tandy から提供されました^{[9] 。} Sinclair QL上のSinclair QDOS が1984 年に続きましたが、大成功とはいきませんでした。翌年、 Commodore のAmiga がリリースされ、マルチタスクとマルチメディア機能の組み合わせを提供しました。 Microsoft は、1990 年代初めにWindows NT 3.1とWindows 95 を開発する際に、プリエンプティブマルチタスクを主力OSのコア機能にしました。 1988 年、Apple はClassic Mac OSのUNIX System Vベースの代替としてA/UX を提供しました

同様のモデルがWindows 9xやWindows NTファミリでも使用されており、ネイティブの32ビットアプリケーションはプリエンプティブにマルチタスク化されています。^[10] x86-64とItaniumアーキテクチャの両方のWindowsの64ビット版は、従来の16ビットアプリケーションをサポートしなくなったため、サポートされているすべてのアプリケーションでプリエンプティブマルチタスクが提供されます。

マルチタスクのもう一つの理由は、リアルタイムコンピューティングシステムの設計にあります。リアルタイムコンピューティングシステムでは、無関係な外部アクティビティが多数存在し、それらを単一のプロセッサシステムで制御する必要があります。このようなシステムでは、階層的な割り込みシステムがプロセスの優先順位付けと組み合わされ、主要なアクティビティに利用可能なプロセス時間のより大きな割合が与えられるようにします。^[11]

マルチタスクによってコンピュータのスループットが大幅に向上したため、プログラマーはアプリケーションを連携するプロセスのセットとして実装し始めました (たとえば、1 つのプロセスが入力データを収集し、1 つのプロセスが入力データを処理し、1 つのプロセスが結果をディスクに書き出す)。ただし、これにはプロセスが効率的にデータを交換できるようにするためのツールが必要でした。^{[引用が必要]}

スレッドは、協調プロセスがデータを交換する最も効率的な方法は、メモリ空間全体を共有することであるという考えから生まれました。したがって、スレッドは実質的に同じメモリコンテキストで実行され、開いているファイルなどの他のリソースを親プロセスと共有するプロセスです。スレッド間の切り替えはメモリコンテキストの変更を伴わないため、スレッドは軽量プロセスと呼ばれます。 ^{[12] [13] [14]}

スレッドはプリエンプティブにスケジュールされますが、一部のオペレーティングシステムでは、協調的にスケジュールされるファイバーと呼ばれるスレッドの変種が提供されています。ファイバーを提供しないオペレーティングシステムでは、アプリケーションはワーカー関数を繰り返し呼び出すことで独自のファイバーを実装することができます。ファイバーはスレッドよりも軽量で、プログラミングも多少簡単ですが、複数のプロセッサを搭載したマシンではスレッドの利点の一部またはすべてを失う傾向があります。^[15]

一部のシステムでは、ハードウェアでマルチスレッドを直接サポートしています。

マルチタスク システムにとって不可欠なのは、システム リソースへのアクセスを安全かつ効果的に共有することです。メモリへのアクセスは、プロセスがプロセスのアドレス空間外のメモリ位置を不注意または故意に読み書きできないように厳密に管理する必要があります。これは、一般的なシステムの安定性とデータの整合性、およびデータのセキュリティを目的として行われます。

一般的に、メモリ アクセス管理は、メモリ管理ユニット(MMU)などのサポート機能を提供するハードウェア メカニズムと組み合わせたオペレーティング システム カーネルの役割です。プロセスがメモリ領域外のメモリ位置にアクセスしようとすると、MMU は要求を拒否し、カーネルに適切なアクションを実行するように指示します。これにより、通常は問題のあるプロセスが強制的に終了します。ソフトウェアとカーネルの設計、および問題となっている特定のエラーによっては、ユーザーは「セグメンテーション違反」などのアクセス違反エラー メッセージを受け取る場合があります。

適切に設計され、正しく実装されたマルチタスク システムでは、特定のプロセスが別のプロセスに属するメモリに直接アクセスすることはできません。このルールの例外は共有メモリの場合です。たとえば、System V のプロセス間通信メカニズムでは、カーネルは複数のプロセスで相互に共有されるメモリを割り当てます。このような機能は、PostgreSQL などのデータベース管理ソフトウェアでよく使用されます。

設計上の欠陥や実装の不備によりメモリ保護メカニズムが不十分な場合、悪意のあるソフトウェアによって悪用される可能性のあるセキュリティ上の脆弱性が生じる可能性があります。

スワップファイルまたはスワップパーティションの使用は、オペレーティングシステムがプライマリメモリの一部をセカンダリストレージに保持することにより、物理的に利用可能な量よりも多くのメモリを提供する方法です。マルチタスクとメモリスワッピングはまったく関係のない2つの技術ですが、メモリスワッピングにより同時により多くのタスクをロードできるため、これらは一緒に使用されることがよくあります。通常、マルチタスクシステムでは、実行中のプロセスが、メモリの一部がセカンダリストレージから再ロードされるのを待つ必要があるポイントに達したときに、別のプロセスを実行できます。^[16]

完全に独立したプロセスをマルチタスク環境でプログラムするのはそれほど難しくありません。マルチタスク システムの複雑さのほとんどは、タスク間でコンピュータ リソースを共有し、連携するタスクの動作を同期させる必要があることに起因します。^{[引用が必要]}

複数のタスクが同じリソースにアクセスしようとすることで発生する潜在的な問題を回避するために、さまざまな同時コンピューティング技術が使用されます。 ^{[引用が必要]}

より大規模なシステムは、中央プロセッサといくつかのI/O プロセッサ(一種の非対称マルチプロセッシング) で構築されることもありました。^[要出典]

マルチタスクシステムは長年にわたり改良されてきました。現代のオペレーティングシステムには、一般的にプロセスの優先順位付けのための詳細なメカニズムが含まれていますが、対称型マルチプロセッシングは新たな複雑さと機能を導入しました。^[17]

• プロセス状態
• タスクの切り替え