５－６ プロセス管理とCPUスケジューリング

1

多重プログラミングの概念

CPUを無駄なく使いたい

開始 遊休状態： 入力

ジョブA 遊休状態： 入力

開始 遊休状態： 入力

ジョブB 遊休状態： 入力

図４．１ 二つの上部Ａ，Ｂの実行

停止

停止

2

図４．２ 多重プログラミング機構のない場合のジョブ実行

開始 遊休状態： 入力

ジョブA 遊休状態： 入力

停止

開始 遊休状態： 入力

ジョブB 遊休状態： 入力

停止 待 ち

多重プログラミングの概念

開始 遊休状態： 入力

ジョブA

遊休状態： 入力 停止

開始 遊休状態： 入力

ジョブB 遊休状態： 入力

停止

図４．３ 多重プログラミング機構のある場合のジョブ実行

3

プロセスとは？

厳密な概念はない！ 定義は困難

あえて言うと，プロセスとは下記の２つの定義？あり

１）実行しているプログラム ２）疑似プロセッサ プログラムを実行するための器 その他，ユーザの代理という概念？もあり． OSが管理するための単位 プロセスのことをタスクとも言う．

4

プロセスの状態

活動中 新規

待機中

停止

図４．６ プロセス状態遷移図

実行中 新規

待機中

図４．７ プロセス状態遷移詳細図

実行待ち 停止

5

プロセス制御ブロック（PCB: Process Control Block）

プロセスに関する情報を格納しておく器 必要な情報（詳細はOS，ハードウェアによって異なる）

プロセスの状態 新規，実行待ち，実行中，．．．

プログラムカウンタ レジスタの内容

レジスタの種類はプロセッサによって異なる．

メモリ管理情報 上限／下限レジスタ，ページ表（ページングシステム），．．

課金情報 CPU使用時間，実使用時間，課金番号，ジョブ番号，．．

入出力情報 未完了の入出力要求，割当てられている入出力装置，オープンされているファイル，．．

CPUスケジューリング情報 プロセスの優先度，レディキューへのポインタ，．．．

プログラムカウンタ

レジスタ類

開かれたファイルのリスト

記憶範囲

プロセス番号

プロセス 状態

ポインタ

・ ・ ・

図４．８ プロセス制御ブロック 6

コンテキスト（context）とは？

準備中

7

コンテキストスイッチ：プログラムの切り替え

レジスタ退避

・ ・ ・

レジスタ復元

レジスタ退避

・ ・ ・

レジスタ復元

利用者プログラムA

オペレーティングシステム

利用者プログラムB 割込みまたはスーパバイザコール

割込みまたはスーパバイザコール

実行状態

実行状態

実行状態

遊休状態

遊休 状態

遊休 状態

図４．９ 利用者間でのCPUの切り替え 8

スケジューリングのためのキュー（１／２）

レディキュー（Ready queue，実行待ち列）

実行可能状態のプロセスをつないでおくキュー

デバイスのためのキュー（デバイスキュー，装置待ち列）

装置が空くのを待っているプロセスのキュー

図４．１０ 実行待ち列と種々の入出力装置待ち列（図：準備中）

9

スケジューリングのためのキュー（２／２）

図４．１２ 単純化した待ち列図式（図：準備中）

図４．１１ CPUスケジューリングの待ち列図式表現（図：準備中）

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スケジューラ ースケジューラの種類ー

長期スケジューラ（Long term scheduler, ジョブスケジューラ）

システムで処理すべきジョブを選択 複数（多重度）のジョブを選択

メモリにロード

短期スケジューラ（short term scheduler，CPUスケジューラ）

実際にCPUに割当てるジョブを選択 選択するのは１つのみ

中期スケジューラ（medium term scheduler）（ないOSもある）

多重度の制御 プロセスをシステムから取り除く．

図４．１３ 中期スケジューリングを加えた待ち列図式（図：準備中）

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ディスパッチャ（dispatcher）

CPUスケジューラで選択されたプロセスにCPUを実際に割当てるプログラムのこと．OSの一部．

仕事

プログラムカウンタの設定，レジスタ内容のロード，ユーザモードへの切り替え，．．．

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スケジューリングアルゴリズム

評価基準： 何を目標にするか？ CPU使用率 スループット（throughput）

単位時間当りに完了したジョブ数

ターンアラウンド時間（turnaround time） ジョブ投入からジョブ完了までにかかった時間

待ち時間（waiting time） レディキューにいる時間

応答時間（response time） 会話型システム：コマンド投入からプロンプトが帰ってくるまでの時間

理想 CPU使用率，スループット → 最大 ターンアラウンド時間，待ち時間，応答時間 → 最小

最小値，最大値，平均値か？

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スケジューリングアルゴリズムの分類

横取りのない(non-preemptive)アルゴリズム

先着順サービス方式（FCFS, First-Come-First-Served）

最短ジョブ優先方式

優先度方式

横取りのある（preemtive）アルゴリズム

ラウンドロビン（Round-Robin，巡回方式）

多重レベル待ち列（Multi-queue scheduling）

多重レベルフィードバック列（Multi-level feedback queue）

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横取りのない(non-preemptive)アルゴリズム

先着順サービス方式（FCFS, First-Come-First-Served）

最短ジョブ優先方式

優先度方式

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先着順サービス方式（FCFS, First-Come-First-Served）

ジョブ バースト時間

１ ２４

２ ３

３ ３

到着した順番に実行する． 例

ジョブ２ ジョブ１ ジョブ３

０ ２４ ２７ ３０

ガント図

時刻０でほとんど同時にジョブ１，２，３が到着したが， ジョブ１，ジョブ２，ジョブ３の順で到着した場合：

ジョブ２ ジョブ１ ジョブ３

０ ３ ６ ３０

時刻０でほとんど同時にジョブ１，２，３が到着したが， ジョブ２，ジョブ３，ジョブ１の順で到着した場合：

平均ターンアラウンド時間＝（２４＋２７＋３０）／３ ＝ ２７

平均ターンアラウンド時間＝（３０＋３＋６）／３ ＝ １３

ガント図

16

最短ジョブ優先方式

ジョブ バースト時間

１ ６

２ ３

３ ８

４ ７

実行時間の短い順に実行する．

理論的に最小の待ち時間を与える．

仮定：横取りがない． 例

ガント図

時刻０でほとんど同時にジョブ１，２，３，４が到着した場合．

ジョブ２ ジョブ３ ジョブ１

０ ３ ９ ２４

平均ターンアラウンド時間＝（９＋３＋２４＋１６）／４ ＝ １３

１６

ジョブ４

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優先度方式（priority scheduling）

プロセスに優先度を付けて，優先度順に実行する．

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横取りのある（preemtive）アルゴリズム

横取りのある最短ジョブ優先方式

ラウンドロビン（Round-Robin，巡回方式）

多重レベル待ち列（Multi-queue scheduling）

多重レベルフィードバック列（Multi-level feedback queue）

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横取りのある最短ジョブ優先方式

ジョブ 到着時刻 バースト時間

１ ０ ８

２ １ ４

３ ２ ９

４ ３ ５

最小残り時間優先方式（Shortest-Remaining-Time-First）とも言う．

例

ガント図 ジョブ２ ジョブ３ ジョブ１

０ １ ５ ２６

平均ターンアラウンド時間 ＝（（１７－０）＋（５－１）＋（２６－２）＋（１０－３））／４ ＝ １３

１０

ジョブ４

１７

横取り

ジョブ１

横取りのない最短ジョブ優先方式の場合：

平均ターンアラウンド時間 ＝ ５７／４ ＝ １４．２５

20

ラウンドロビン（Round-Robin，巡回スケジューリング）（１／３）

ジョブ バースト時間

１ ２４

２ ３

３ ３

一定時間CPUを割り当てる．

一定時間： タイムスライス（time-slice，量子時間）

終了しなければ，次に回す（レディキューの最後尾につなぐ）

例

ジョブ２ ジョブ１ ジョブ３

０ ２６ ３０

ガント図

平均ターンアラウンド時間＝４７／３ ＝ １６

２２ １０ １４ ４ ７ １８

ジョブ１ ジョブ１ ジョブ１ ジョブ１ ジョブ１

下記は，タイムスライス＝４の場合のガント図

仮定：時刻０で，ジョブ１，２，３の順で到着

タイムスライスについて

タイムスライス → ∞ ： FCFS（先着順サービス）

→ 0： Processor scharing（プロセッサシェアアリング，プロセッサ共有）

21

ラウンドロビン（Round-Robin，巡回スケジューリング）（２／３）

ジョブ バースト時間

１ １３

２ ６

３ １１

例の追加（右表）

例

ジョブ２ ジョブ１ ジョブ３

０ ２６ ３０

ガント図

平均ターンアラウンド時間＝（３０＋１８＋２９）／３ ＝ ７７／３

２２ １２ １６ ４ ８ １８

ジョブ３ ジョブ１ ２ ジョブ１ ジョブ３

下記は，タイムスライス＝４の場合のガント図

仮定：時刻０で，ジョブ１，２，３の順で到着

２９

１

22

ラウンドロビン（Round-Robin，巡回スケジューリング）（３／３）

■タイムスライスの終了時の処理

プロセスの入れ替え： コンテキストスイッチング（Context switching）

コンテキストの入れ替え 古い（今実行していた）プロセスのレジスタ内容を退避

新しいプロセスのレジスタ内容をレジスタにロード

オーバヘッドが生じる

タイムスライスを短くするとコンテキストのオーバヘッドが大

図４．１６ 状態切換えを増加させるより小さな量子時間（タイムスライス）値（図：準備中）

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多重レベル待ち列

タイプの異なるジョブ フォアグランドジョブ（foreground，会話的ジョブ等） バックグランドジョブ（background，バッチ等）

キュー毎に異なるスケジューリングアルゴリズム CPUの割当方法：優先度，時間配分

システムタスク

会話型

編集

バッチ

学生バッチ

最高優先度

最高優先度

図４．１８ 多重待ち列スケジューリング方式 24

多重レベルフィードバック列

キュー間の移動を許す． 自由度の高いスケジューリング パラメータ

キューの数 各キューのスケジューリングアルゴリズム 移動の決定方策 最初に入れるキューの決定方法

パラメータの決定が困難

キュー２

図４．１９ 多重レベルフィードバック列

キュー１

キュー０

タイムスライス＝１６

タイムスライス＝８

FCFS

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アルゴリズムの評価手法

解析的評価

決定性モデル

ジョブの振る舞いが決定的

確率的モデル

ジョブの振る舞いが確率的

待ち行列理論（Queueing theory）

シミュレーション

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