タスク管理（CPU割当ての制御）

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タスク管理とは

タスクとは、OSがCPU（＝計算を行う頭脳）に割り当てる処理の単位のことです。プロセス（＝実行中のプログラム）とほぼ同じ意味で扱われます。タスク管理は、このタスクの割当てや状態を管理するOSの機能です。

身近な例で考えると、1人の料理人がいる厨房に似ています。CPUが料理人で、注文（タスク）はたくさんあるのに作れるのは一度に1つだけ。そこで「次にどの料理を作るか」「途中で別の注文に切り替えるか」を采配する人が必要です。その采配役がタスク管理です。

上の図解のように、複数のタスクが順番待ちをしていて、タスク管理がそれらをCPUへ次々に割り当てることで、見かけ上は多くの処理が同時に動いているように見せています。

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主な機能

タスク管理が担う主な機能には、次のようなものがあります。
・タスクの生成・消滅：処理が始まるときに作り、終わったら消す
・状態管理（状態遷移）：実行可能・実行中・待機などの状態を管理する
・CPU割当ての制御（ディスパッチ）：実行可能なタスクにCPUを割り当てる
・スケジューリング：どのタスクを次に実行するか順番を決める
・同期・排他制御：複数タスクが同じ資源を奪い合わないよう調整する

とくに重要なのが状態管理です。タスクは「CPUの順番を待っている（実行可能）」「いまCPUを使っている（実行中）」「入出力の完了を待っている（待機）」という3つの状態を行き来します。実行可能なタスクにCPUを割り当てて実行中へ移すことをディスパッチと呼びます。

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ジョブ管理との関係

タスク管理は、ジョブ管理の下位に位置する機能です。両者は次のように役割分担しています。
・ジョブ管理：利用者から受け付けた仕事（ジョブ）の実行順序を管理する
・タスク管理：そのジョブを実行段階でタスクに分け、CPUへ細かく割り当てる

つまり、ジョブ管理が受け付けた1つの仕事は、実際に動かす段階で複数のタスクに分けられ、それをタスク管理がCPUに割り当てて処理します。会社にたとえると、ジョブ管理が「どの案件を先に進めるか」を決める部長、タスク管理が「その案件をどの作業から手をつけるか」を采配する現場リーダー、というイメージです。

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タスクの生まれ方と終わり方

タスクはプログラムが起動するときに「生成」され、処理が終わると「消滅」します。たとえばブラウザのアイコンをダブルクリックすると、OSがそのタスクを新しく作り、ブラウザを閉じると消します。この生成から終了までのひとつながりが1つのタスクの一生です。

なぜ「終了したら消す」のか。それはタスクが動くにはメモリ（＝データを一時的に置く場所）を使うからです。終わったタスクを残し続けるとメモリが埋まってしまい、新しいタスクを動かせなくなります。OSはタスクが終了したら、そのタスクが使っていたメモリを回収して空き領域に戻します。

生成〜終了の間で、タスクは次の状態を行き来します。
・生成：OSがタスクを作り、必要なメモリを確保する
・実行可能：CPUの順番待ち。すぐ動ける準備はできている
・実行中：いまCPUを使って処理している
・終了：処理が完了し、メモリが解放される

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コンテキストスイッチ — なぜ途中で止めても続きから再開できるのか

複数のタスクを交互に動かすには、「あるタスクを途中で止め、別のタスクに切り替える」操作が必要です。このときに行われるのがコンテキストスイッチ（＝作業状態の切り替え）です。

なぜ途中で止めても続きから再開できるのか。それは、タスクが止まる瞬間に「コンテキスト（＝そのタスクの作業状態。どこまで計算したか・変数の値など）」をメモリに保存しておくからです。後で再開するときにその保存データを読み込んで、止まった続きから動かします。

手順はシンプルです。
・① 保存：今動いているタスクAのコンテキストをメモリに書き出す
・② 渡す：CPUの使用権を次のタスクBに渡す
・③ 復元：タスクBの前回保存したコンテキストを読み込んで続きから実行する

身近な例えで言うと、本を読んでいて途中でしおりを挟んで閉じ、別の本を開いて読むのと同じです。「しおりを挟む」がコンテキストの保存、「次の本の前回のしおりのページを開く」がコンテキストの復元です。このしおりの仕組みがあるから、1つのCPUで多くのタスクを交互に動かせます。

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練習問題