タスク管理

ＯＳの機能の一つであるタスク管理について学習します。多様な概念、用語が出てきますが、体系的に理解することが必要です。

キーワード

タスク管理、実行状態、待機状態、実行可能状態、ディスパッチャ、ラウンドロビン方式、割込み、内部割込み、スーパーバイザコール、外部割込み、タイマ割込み、プリエンプション

複数のタスクがある場合、タスクの状態には次の３つの状態があります。（状態遷移図については、「オートマトンと状態遷移図」（hs-joutai-seni）参照）

各タスクの状態、必要とする資源、優先度などの情報は、タスクコントロールブロック（ＴＣＢ）に登録されます。そのＴＣＢを用いて、実行可能状態にあるプロセス（タスク）の中から，次に実行するべきプロセスを選んだり、ＴＣＢの内容を更新する機能をタスクスケジューラ（ディスパッチャ）といいます。

各状態からの遷移は、次のように行われます。

①：タスクの生成→実行可能状態
生成されたタスクは、実行可能状態になり、実行状態になるのを待ちます。
②：実行可能状態→実行状態
ディスパッチャは、優先順位（後述）に従って、実行可能状態にあるタスクのなかから、実行すべきタスクを選択し、実行状態にします。
③：実行状態→実行可能状態
実行中のタスクが割込み（後述）により、他のタスクに実行権が渡されると、実行可能状態になります。
④：実行状態→待機状態
例えば、ＣＰＵを使っているタスクが、次のデータをファイルから読み込む状態になったときは、そのデータが読み込まれるまで、待っている必要があります。入出力待ちが生じると、そのタスクは待機状態になり、他のタスクが実行されます。
⑤：待機状態→実行可能状態
入出力待ちで待機状態にあったタスクは、その入出力処理が終了すると、実行可能状態になります。
⑥：実行状態→タスクの消滅
タスクの実行が終了すると、その情報がタスク管理に伝えられ、このタスクが占有した資源が解放されます。ＴＣＢの情報が削除され、タスク管理の対象から外れます。それをタスクの消滅といいます。

ディスパッチャが実行可能状態のタスクのなかから実行するタスクを選択する優先順位には、多様な基準があります。通常は、これらを組み合わせたり重みづけをしたりして、実行すべきタスクを決定します。

到着順方式: 実行可能状態になった順に実行権を与える方式です。
処理時間順方式: 処理時間の短いタスクから実行する方式です。「すぐ片付くことからやってしまおう」という発想で、対話型処理の平均応答時間を最小にするのに有効です。
優先度順方式: ＰＣＢに設定している実行優先順位に従って選択する方式です。優先順位の高いタスクはすぐに実行されますが、優先順位の低いタスクは、いつになっても実行されないという問題が発生するので、長く待たせれているタスクの優先度を上げるような工夫が必要になります。
ラウンドロビン方式: 実行中のタスクをタイマ割込み（後述）などにより、実行可能状態に遷移したとき、待ち行列の最後尾に回す方式です。

実行中のタスクを中断して他のタスクに実行権を渡すことを割込みといい、割込みのきっかけになる事象をトリガー（引き金の意味）といいます。割込みは多様なトリガーにより発生します。

内部割込み

実行中のタスク（プログラム）が原因で発生する割込み

プログラム割込み: ０除算、オーバーフローなど（プログラムのエラーが多い）
仮想記憶方式でのページング
スーパーバイザコール: システムコール、特権モード呼出し割込み、カーネル呼出し割込みともいいます。
通常のプログラムからはアクセスできない保護されたメモリ領域にアクセスすることや、保護されたレジスタを操作すること、ＣＰＵの動作モードを変更することなどを、ＯＳの制御プログラムの特権機能が必要になったときに発生します。

外部割込み

実行中のプログラム以外の原因で発生する割込み

機械割込み: ハードウェアの障害、電源異常などによる割込み
コンソール割込み: オペレータの操作による割込み
入出力割込み: 入出力処理の発生や終了による割込み
タイマ割込み: 実行中のタスクがＣＰＵを長時間占有すると、他のタスクに大きな影響を及ぼします。それを回避するために、一定時間を経過すると割込みを行い、他のタスクに実行権を渡して、自分は実行可能状態に遷移します（ラウンドロビンにすることが多い）。