プロセス（コンピューティング）

コンピューティングにおいて、プロセスとは、1つまたは複数のスレッドによって実行されているコンピュータプログラムのインスタンスのことです。プロセスモデルにはさまざまなものがあり、その中には軽量なものもありますが、ほぼすべてのプロセス（仮想マシン全体も）は、プログラムコード、割り当てられたシステムリソース、物理的および論理的なアクセス許可、実行アクティビティを開始、制御、調整するためのデータ構造で構成されるオペレーティングシステム（OS）プロセスに基づいています。OSによっては、プロセスが複数の実行スレッドで構成され、命令を同時に実行する場合もあります。^{[1] [2]}

コンピュータ プログラムは、通常ディスク上のファイルに保存される受動的な命令の集合ですが、プロセスは、ディスクからメモリに読み込まれた後の命令の実行です。複数のプロセスが同じプログラムに関連付けられている場合があります。たとえば、同じプログラムの複数のインスタンスを開くと、複数のプロセスが実行されることがよくあります。

マルチタスクは、複数のプロセスがプロセッサ(CPU) やその他のシステム リソースを共有できるようにする方法です。各 CPU (コア) は、一度に 1 つのプロセスを実行します。ただし、マルチタスクでは、各プロセッサは、各タスクの終了を待たずに、実行中のタスクを切り替えることができます (プリエンプション)。オペレーティング システムの実装に応じて、タスクが開始されて入出力操作の完了を待機しているとき、タスクが自発的に CPU を明け渡したとき、ハードウェア割り込みが発生したとき、およびオペレーティング システムのスケジューラがプロセスが CPU 時間の公平な割り当てを期限切れにしたと判断したとき ( Linux カーネルのCompletely Fair Schedulerなど)、切り替えが実行されます。

マルチタスクの一般的な形式は、CPU のタイムシェアリングによって提供されます。これは、ユーザーのプロセスとスレッド、さらには独立したカーネルタスクの実行をインターリーブする方法です。ただし、後者の機能はLinuxなどのプリエンプティブカーネルでのみ実行可能です。プリエンプションには、CPU バウンドプロセスよりも高い優先順位が与えられる対話型プロセスにとって重要な副作用があります。そのため、ユーザーは、キーを押すかマウスを動かすだけで、すぐにコンピューティングリソースを割り当てられます。さらに、ビデオや音楽の再生などのアプリケーションには、他の優先順位の低いプロセスをプリエンプトする、ある種のリアルタイム優先順位が与えられます。タイムシェアリングシステムでは、コンテキストスイッチが迅速に実行されるため、複数のプロセスが同じプロセッサ上で同時に実行されているように見えます。この複数のプロセスの同時実行のように見えることを並行性と呼びます。

セキュリティと信頼性のために、ほとんどの最新のオペレーティング システムでは、独立したプロセス間の直接通信を防止し、厳密に仲介および制御されたプロセス間通信を提供します。

一般に、コンピュータ システム プロセスは次のリソースで構成されます (または、次のリソース を所有していると言われます)。

• プログラムに関連付けられた実行可能なマシン コードのイメージ。
• メモリ（通常は仮想メモリの一部の領域）。これには、実行可能コード、プロセス固有のデータ（入力と出力）、呼び出しスタック（アクティブなサブルーチンやその他のイベントを追跡するため）、および実行時に生成された中間計算データを保持するヒープが含まれます。
• ファイル記述子( Unix用語) やハンドル( Windows )、データ ソース、データ シンクなど、プロセスに割り当てられるリソースのオペレーティング システム記述子。
• プロセス所有者やプロセスの権限セット (許可される操作) などのセキュリティ属性。
• プロセッサの状態（コンテキスト）、レジスタの内容や物理メモリのアドレス指定など。状態は通常、プロセスの実行中はコンピュータのレジスタに保存され、それ以外の場合はメモリに保存されます。^[1]

オペレーティング システムは、アクティブなプロセスに関するこの情報のほとんどを、プロセス制御ブロックと呼ばれるデータ構造内に保持します。スレッドまたは子プロセスをサポートするオペレーティング システムでは、リソースのサブセット (通常は少なくともプロセッサの状態) が、各プロセスのスレッドに関連付けられることがあります。

オペレーティング システムはプロセスを分離し、プロセスに必要なリソースを割り当てます。これにより、プロセスが相互に干渉してシステム障害 (デッドロックやスラッシングなど) が発生する可能性が低くなります。オペレーティング システムは、プロセス間通信のメカニズムも提供して、プロセスが安全かつ予測可能な方法で対話できるようにします。

マルチタスク オペレーティングシステムは、多くのプロセスが同時に（つまり、並行して）実行されているように見せるためにプロセスを切り替えるだけですが、実際には単一のCPUで一度に実行できるプロセスは1つだけです（CPUに複数のコアがある場合は、マルチスレッドまたは他の同様のテクノロジを使用できます）。^[a]

通常、単一のプロセスをメイン プログラムに関連付け、子プロセスを非同期サブルーチンのように動作する任意のスピンオフの並列プロセスに関連付けます。プロセスはリソースを所有していると言われており、そのリソースの 1 つに、そのプログラムのイメージ(メモリ内) があります。ただし、マルチプロセッシング システムでは、多くのプロセスがメモリ内の同じ場所にある同じ再入可能プログラムから実行または共有する場合がありますが、各プロセスは独自のプログラム イメージを所有していると言われます。

組み込みオペレーティングシステムでは、プロセスは「タスク」と呼ばれることがよくあります。「プロセス」(またはタスク) の意味は「時間を取るもの」であり、「メモリ」は「スペースを取るもの」です。^[b]

上記の説明は、オペレーティング システムによって管理されるプロセスと、プロセス計算によって定義されるプロセスの両方に適用されます。

プロセスが待機する必要があるものを要求した場合、そのプロセスはブロックされます。プロセスがブロック状態にある場合、ディスクへのスワップの対象となりますが、これは仮想メモリシステムでは透過的であり、プロセスのメモリ領域は実際にはディスク上にあり、メイン メモリ上にはない場合があります。アクティブなプロセス/タスク (実行中のプログラム) の一部であっても、その部分が最近使用されていない場合は、ディスクへのスワップの対象となります。関連するプロセスがアクティブになるために、実行中のプログラムとそのデータのすべての部分が物理メモリ内にある必要はありません。

マルチタスクを可能にするオペレーティングシステムカーネルでは、プロセスが特定の状態を持つことが必要である。これらの状態の名前は標準化されていないが、機能は同様である。^[1]

• まず、プロセスは二次記憶装置（ハードディスクドライブ、CD-ROMなど）からメインメモリにロードされて「作成」されます。その後、プロセススケジューラによって「待機」状態が割り当てられます。
• プロセスが「待機中」の間、プロセスはスケジューラがいわゆるコンテキスト スイッチを実行するのを待ちます。コンテキスト スイッチはプロセスをプロセッサにロードし、状態を「実行中」に変更しますが、それまで「実行中」だったプロセスは「待機中」状態で保存されます。
• 「実行中」状態のプロセスがリソースを待機する必要がある場合 (たとえば、ユーザー入力やファイルのオープンを待機する)、「ブロック」状態が割り当てられます。プロセスが待機する必要がなくなると (ブロック状態)、プロセス状態は「待機中」に戻ります。
• プロセスの実行が終了するか、オペレーティングシステムによって終了されると、そのプロセスは不要になります。プロセスは即座に削除されるか、「終了」状態に移行します。削除されると、メインメモリから削除されるのを待つだけです。^{[1] [3]}

プロセスが互いに通信する必要がある場合、アドレス空間の一部を共有するか、他の形式のプロセス間通信 (IPC) を使用する必要があります。たとえば、シェル パイプラインでは、最初のプロセスの出力を 2 番目のプロセスに渡す必要があります。他の例としては、協調しながらも部分的に独立したプロセスに分解され、同時に実行できるタスクがあります (つまり、同時実行、つまり真の並列処理を使用します。後者のモデルは同時実行の特殊なケースであり、実行可能なプロセスに対して複数の CPU コアが使用できる場合はいつでも実行可能です)。

異なるオペレーティング システム (OS) を実行する異なるマシン上で 2 つ以上のプロセスが実行される可能性もあるため、通信と同期のための何らかのメカニズム (分散コンピューティング用の通信プロトコルと呼ばれる) が必要になります (例:メッセージ パッシング インターフェイス{MPI})。

1960 年代初頭までに、コンピュータ制御ソフトウェアは、IBSYSなどのモニタ制御ソフトウェアから実行制御ソフトウェアへと進化しました。時が経つにつれて、コンピュータは高速化しましたが、コンピュータ時間はまだ安価ではなく、十分に活用されていませんでした。このような環境では、マルチプログラミングが可能になり、必要になりました。マルチプログラミングとは、複数のプログラムが同時に実行されることを意味します。最初は、基礎となるユニプロセッサ コンピュータ アーキテクチャの結果として、複数のプログラムが 1 つのプロセッサ上で実行され、希少で限られたハードウェア リソースを共有していました。その結果、並行性はシリアルな性質のものでした。複数のプロセッサを備えた後のシステムでは、複数のプログラムが同時に並列に実行される場合があります。

プログラムは、プロセッサの命令のシーケンスで構成されています。 1 つのプロセッサは、一度に 1 つの命令しか実行できません。つまり、同時に複数のプログラムを実行することはできません。 プログラムには、遅延の大きい入力デバイスなどのリソースが必要な場合があります。また、プログラムが、プリンタへの出力の送信などの低速な操作を開始する場合もあります。 この場合、プロセッサは「アイドル状態」(未使用) になります。 プロセッサを常にビジー状態にしておくために、このようなプログラムの実行は停止され、オペレーティング システムはプロセッサを切り替えて別のプログラムを実行させます。 ユーザーには、プログラムが同時に実行されているように見えます (したがって、「並列」という用語が使用されます)。

その後すぐに、「プログラム」という概念は「実行中のプログラムとそのコンテキスト」という概念に拡張されました。プロセスという概念が生まれ、これは再入可能コードの発明によって必要になりました。スレッドはやや後になって登場しました。しかし、タイムシェアリング、コンピュータ ネットワーク、複数の CPUによるメモリ共有コンピュータなどの概念の出現により、古い「マルチプログラミング」は真のマルチタスク、マルチプロセッシング、そして後にはマルチスレッドに取って代わられました。

• Remzi H. Arpaci-Dusseau および Andrea C. Arpaci-Dusseau (2014)。「オペレーティング システム: 3 つの簡単な部分」。Arpaci-Dusseau の本。関連する章: 抽象化: プロセス プロセス API
• Gary D. Knott (1974)プロセス管理と相互通信プリミティブの提案ACM SIGOPS オペレーティング システム レビュー。第 8 巻、第 4 号 (1974 年 10 月)。pp. 7 – 44

Wikiversityにはプロセスとスレッドに関する学習リソースがあります。

オペレーティング システム/プロセスとスレッド

• ウィキメディア・コモンズのプロセス（コンピューティング）に関連するメディア
• プロセス情報のオンラインリソース
• コンピュータプロセス情報データベースとフォーラム
• プロセス作成および終了メソッドを備えたプロセスモデルは、2021-02-06 にWayback Machineにアーカイブされています