第13回　OSの基本機能――マルチタスクや仮想記憶で，ハード資源を有効活用

2008.01.07

OSは，ハードウエアを利用可能にする基本機能を提供するソフトだ。では，具体的にどのような機能を提供しているのだろうか。今回は，タスク制御，プロセス間通信，仮想記憶といったOSの基本的な機能について解説する。

　ITproの読者であれば「OS（Operating System）」が何であるかを知らない人はいないだろう。OSは，コンピュータのハードウエアを利用可能にしてくれるソフトウエアである。JISではOSのことを「プログラムの実行を制御するソフトウエアであって，資源割り振り，スケジューリング，入出力制御，データ管理などのサービスを提供するもの」と定義している。

　それでは，私たちITエンジニアは，OSとどう付き合うべきだろうか。私たちはOSを通してコンピュータを利用している。したがって，OSにできることが，コンピュータにできることのすべてだと言える。私たちはOSが持つ様々な機能（サービス）の種類と使い方を知り，それらを効果的に応用したコンピュータシステムを構築し，エンドユーザーに提供していかなければならない。

　今回は，改めてOSの主要な機能を見てみよう。なお，具体例を示すときは，パソコン用OSであるWindows（Windows 95以降）を使うことにする。

限られたハードを有効活用

　ソフトウエアの種類は，「OS」と「アプリケーション」に大別できる。OSがコンピュータのハードウエアを利用可能にしてくれた状態で，アプリケーションが動作する。このことから，OSのことを「基本ソフトウエア」と呼び，アプリケーションのことを「応用ソフトウエア」とも呼ぶ。アプリケーションがOSの持つ機能を応用しているというわけだ。

　アプリケーションとは，特定の用途に適用（apply）させたソフトウエアという意味である。OSが汎用的な実行環境を用意し，その上で特定の用途向けのアプリケーションが動作するのだ。OSは，エンドユーザーからの要求に応じて，任意のアプリケーションをメモリにロードして実行する。

　コンピュータが複数のアプリケーションを同時に実行できるのは，OSに「資源割り振り」や「スケジューリング」という機能があるからだ。OSが複数のアプリケーションにハードウエア資源（CPU，メモリ，I/O）を割り振り，実行の順序をスケジューリングするのである。

　キーボードやディスプレイ，ディスク装置などの周辺装置と入出力制御（I/O制御）を操作するのも，OSの役割だ。またファイルシステムやアクセス権限など，データ管理の仕組みも提供してくれる。

同時実行はCPUの空きを利用

　OSから見れば，CPUもアプリケーションに割り当てて使わせるハードウエア資源の1つに過ぎない。つまり，CPUはプログラムを解釈して実行する機能を持ったハードウエア資源なのだ。

　OSがCPUに割り当てて実行させるプログラムの単位を「タスク」と呼ぶ。タスクと似た概念の言葉として「プロセス」と「スレッド」がある。タスクとプロセスは，同義語だと考えてよい。CPUから見たプログラムの実行単位であり，メモリ空間（後で説明するプロセス空間）を割り当てる単位でもある。複数のプログラムが同時に動作することを「マルチタスク」あるいは「マルチプロセス」とも呼ぶ（「マルチプログラミング」とも呼ぶ）。

　スレッドは，1つのプロセスをさらに小さな単位に分けたものだ。複数のスレッドが同じメモリ空間を共有するため，高速に切り替えて実行できるという特徴がある。

　1つのプロセスの中にある複数のスレッドを同時に実行することを「マルチスレッド」と呼ぶ。荒っぽく言えば，Windows上で「Word」と「Excel」を同時に実行することがマルチタスク（マルチプロセス）であり，Wordの文書ファイルを印刷中に，文書の編集を行うことがマルチスレッドである（図1）。

図1●タスク（プロセス）とスレッドの違い
「タスク（プロセス）」はプログラムの実行単位であり，特定のメモリ空間が割り当てられる。一方，タスク（プロセス）をさらに細かい単位に分割した実行単位が「スレッド」。複数のスレッドは同じメモリ空間を共有できるため，高速に切り替えられる
[画像のクリックで拡大表示]

　では，タスク，プロセス，スレッドのいずれであれ，1つのCPUを使ってなぜ複数のプログラムを同時に実行させられるのか。ポイントは，プログラムは実行される際に常にCPUを必要としているわけではない，ということだ（図2）。