プリエンプション（コンピューティング）

コンピューティングにおいて、プリエンプションとは、実行中のタスクを一時的に中断し、後で再開する行為である。この中断は、タスクからの支援や協力なしに、外部スケジューラによって実行される。 ^{[1] ：153}このプリエンプティブスケジューラは通常、最も特権のある保護リングで実行されるため、中断してから再開することは非常に安全なアクションであると考えられる。プロセッサの現在実行中のタスクに対するこのような変更は、コンテキストスイッチングとして知られている。

どのようなシステム設計でも、システムによって実行される一部の操作はプリエンプト可能ではない場合があります。これは通常、カーネル関数とサービス割り込みに適用されます。これらが完了まで実行できない場合は、競合状態が発生し、デッドロックが発生する傾向があります。カーネル関数の処理中にスケジューラがタスクをプリエンプトできないようにすると、システムの応答性が犠牲になりますが、カーネル設計が簡素化されます。システム内の特権レベルを決定するユーザー モードとカーネル モードの区別は、タスクが現在プリエンプト可能かどうかを区別するためにも使用できます。

最近のオペレーティングシステムのほとんどはプリエンプティブカーネルを備えており、カーネルモードであってもタスクをプリエンプトできるように設計されています。このようなオペレーティングシステムの例としては、Solaris 2.0/SunOS 5.0、^[2] Windows NT、Linuxカーネル（2.5.4以降）、^[3] AIX、一部のBSDシステム（NetBSD、バージョン5以降）などがあります。

プリエンプティブ マルチタスクという用語は、タスクのプリエンプションを許可するマルチタスク オペレーティング システムと、プロセスまたはタスクがシステム リソースを必要としないときに 明示的に譲るようにプログラムする必要がある協調型マルチタスク システムを区別するために使用されます。

簡単に言うと、プリエンプティブ マルチタスクでは、現在実行中のプロセスを一時停止し、次にどのプロセスを実行するかを決定するためにスケジューラを呼び出す割り込みメカニズムが使用されます。したがって、すべてのプロセスは、常に一定量の CPU 時間を取得します。

プリエンプティブ マルチタスクでは、オペレーティング システムカーネルは、スケジューリング ポリシーの優先度制約を満たすためにコンテキスト スイッチを開始し、アクティブなタスクをプリエンプトすることもできます。一般に、プリエンプションとは「先行する奪取」を意味します。その時点で優先度の高いタスクが現在実行中のタスクを奪取することを、プリエンプティブ スケジューリングと呼びます。

「プリエンプティブ マルチタスク」という用語は、意図された意味がより具体的であるにもかかわらず、タイムシェアリング スケジューリング、またはタイムシェアリングと呼ばれるスケジューリング ポリシーのクラスを指して誤って使用されることがあります。

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による即時の対応を必要とす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。

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。初期のシステムでは、プロセスは要求された入力 (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、「ポーリング」または「ビジー待機」することがよくありました。この間、プロセスは有用な作業を行っていませんでしたが、CPU を完全に制御していました。割り込みとプリエンプティブ マルチタスクの出現により、これらの 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」または保留にすることができ、他のプロセスが CPU を使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。

マルチタスク技術は、もともと複数のユーザーが 1 台のマシンを共有できるようにするために開発されましたが、マルチタスクはユーザー数に関係なく有用であることが明らかになりました。メインフレームからシングル ユーザーのパーソナル コンピュータ、および(ロボット宇宙船などの) ユーザーがいない制御システムに至るまで、多くのオペレーティング システムで、さまざまな理由からマルチタスク サポートの有用性が認識されています。マルチタスクにより、1 人のユーザーが複数のアプリケーションを同時に実行したり、コンピューターの制御を維持しながら「バックグラウンド」プロセスを実行したりすることが可能になります。

プリエンプティブマルチタスクシステムでプロセスの実行が許可される時間間隔は、一般にタイムスライスまたはクォンタムと呼ばれます。^{[1] : 158}スケジューラは、次に実行するプロセスを選択するために、タイムスライスごとに1回実行されます。各タイムスライスの長さは、システムパフォーマンスとプロセスの応答性のバランスをとる上で重要です。タイムスライスが短すぎると、スケジューラが処理時間を多く消費してしまいますが、タイムスライスが長すぎると、プロセスが入力に応答するのに時間がかかります。

割り込みは、タイムスライスの期限が切れたときにオペレーティング システム カーネルがプロセスを切り替えることができるようにスケジュールされ、プロセッサの時間を複数のタスク間で効果的に共有し、これらのタスクを並列 (同時に) 処理しているという錯覚を与えます。このような設計を制御するオペレーティング システムは、マルチタスク システムと呼ばれます。

現在、 Windows、macOS、Linux（Androidを含む）、iOS、iPadOSの現在のバージョンを含め、ほぼすべてのオペレーティングシステムがプリエンプティブマルチタスクをサポートしています。

プリエンプティブ マルチタスク機能を備えた初期のマイクロコンピュータ オペレーティング システムは、MicrowareのOS-9で、 Motorola 6809ベースのコンピュータで使用できました。これには、ディスク ドライブを搭載したTRS-80 Color Computer 2などのホーム コンピュータも含まれます^[4]。Tandy は、アップグレードとしてオペレーティング システムを提供しました^{[5]。Sinclair} QDOS ^{[6] :  18}とAmiga上のAmigaOSも、プリエンプティブ マルチタスク機能を中核機能として提供するマイクロコンピュータ オペレーティング システムでした。これらは両方とも、メモリ管理のないMotorola 68000ファミリのマイクロプロセッサで動作しました。Amiga OS は、再配置可能なコード ブロック (Amiga の専門用語では「ハンク」) の動的読み込みを使用して、すべてのプロセスを同じフラット アドレス空間でプリエンプティブにマルチタスク処理しました。

MS-DOSやPC DOSなどのIBM PC 互換機向けの初期のオペレーティング システムは、マルチタスクをまったくサポートしていませんでしたが、MP/M-86 (1981) やConcurrent CP/M-86などの代替オペレーティング システムは、プリエンプティブ マルチタスクをサポートしていました。MINIXやCoherentなどの他のUnix 系システムは、1980年代のパーソナル コンピュータでプリエンプティブ マルチタスクを提供しました。

プリエンプティブ マルチタスク/マルチスレッドをネイティブにサポートするその後のMS-DOS互換システムには、 Concurrent DOS、Multiuser DOS、Novell DOS (後にCaldera OpenDOSおよびDR-DOS 7.02 以降と呼ばれる) などがあります。Concurrent DOS 386以降では、仮想 DOS マシンで複数の DOS プログラムを同時に実行することもできます。

限定的な形式のプリエンプティブマルチタスクをサポートしたWindowsの最も古いバージョンはWindows/386 2.0で、Intel 80386の仮想8086モードを使用して、プリエンプト可能な仮想8086マシン（一般に「DOSボックス」と呼ばれる）でDOSアプリケーションを実行しました。Windows 95、98、およびMeでは、32ビットアプリケーションはそれぞれ別のアドレス空間で実行することでプリエンプティブになりましたが、16ビットアプリケーションは下位互換性のために協調的に動作しました。^[7] Windows 3.1x（保護モード）では、カーネルと仮想デバイスドライバーはプリエンプティブに実行されましたが、すべての16ビットアプリケーションは非プリエンプティブであり、同じアドレス空間を共有していました。

プリエンプティブ マルチタスクは、Windows NT (すべてのバージョン)、OS/2 (ネイティブ アプリケーション)、UnixおよびUnix ライクなシステム ( Linux、BSD、macOSなど)、VMS、OS/360、および学術および中規模から大規模のビジネス市場での使用向けに設計された他の多くのオペレーティング システムで常にサポートされてきました。

クラシックMac OSの初期のバージョンではマルチタスクがまったくサポートされておらず、協調型マルチタスクはSystem Software 5のMultiFinder経由で利用でき、System 7では標準で利用できるようになりました。クラシックMac OSの協調型マルチタスクをプリエンプティブモデルにアップグレードする計画はありましたが（プリエンプティブAPIはMac OS 9にも限定的ではありましたが^[8]）、これは放棄され、代わりにMac OS X（現在はmacOSと呼ばれています）が採用されました。Mac OS Xは、古いMac SystemスタイルとNeXTSTEPのハイブリッドであり、 Machカーネルをベースとし、常にUnixライクなプリエンプティブマルチタスクを提供してきた BSDから部分的に派生したオペレーティングシステムです。

• コンピュータのマルチタスク
• 協調的なマルチタスク