CFQ（シーエフキュー）

2025年10月31日

CFQ（シーエフキュー）

英語表記: CFQ (Completely Fair Queuing)

概要

CFQ（Completely Fair Queuing）は、主にLinuxカーネルで使用されていたI/Oスケジューラの一つです。これは、OSの基本機能の中でも特に「デバイス管理」の領域において、複数のプロセスからのストレージ（ディスク）へのアクセス要求を、すべてのプロセスに対して「完全に公平」になるように調整する役割を担っています。つまり、CFQの目的は、ディスクアクセスを待っているどのプロセスも長時間待たされることがないよう、均等にサービスを提供することにあります。これにより、マルチタスク環境下でのシステムの応答性と予測可能性を大幅に向上させるのです。

詳細解説

CFQは、OSの基本機能のうち、「デバイス管理」に位置づけられる「I/O スケジューラ」という重要なサブシステムの一部です。I/Oスケジューラは、多くのプロセスが同時にハードディスクやSSDなどのストレージデバイスにデータを読み書きしようとする際に発生する、競合状態を効率的に解決するために存在します。

CFQの設計思想と目的

CFQの最大の特徴は、その名の通り「公平性（Fairness）」を徹底的に追求している点にあります。従来のI/Oスケジューラは、ディスクヘッドの移動距離を最小限に抑えること（スループットの最大化）を優先しがちでしたが、その結果、一部のプロセス（特に連続的な読み書きを行うプロセス）がディスクを占有し、他のプロセスが飢餓状態に陥ってしまう問題がありました。

CFQは、この問題を解決するために導入されました。OSの「プロセス管理」機能によってCPU時間が公平に割り当てられるのと同様に、CFQは「デバイス管理」においてI/Oリソースも公平に割り当てられるべきだと考えます。

動作原理：プロセスごとのキュー管理

CFQの動作の核となるのは、「プロセスごとのキュー」の採用です。

キューの生成と管理: CFQは、ディスクアクセスを要求しているプロセスごとに個別のI/Oリクエストキューを作成します。例えば、アプリケーションA、B、Cが同時にディスクにアクセスを求めた場合、CFQ内部にはA用、B用、C用の三つのキューが生成されます。
ラウンドロビン方式の適用: CFQは、これらのプロセスごとのキューに対して、一定の時間（タイムスライス）を割り当て、ラウンドロビン（順番持ち回り）方式でサービスを提供します。ディスパッチャ（スケジューラの中核）は、キューAから数件のリクエストを処理した後、キューB、キューCへと順番に切り替えていきます。
シーク最適化の実施: 各プロセスに割り当てられたタイムスライス内では、CFQはエレベーターアルゴリズム（またはSCANアルゴリズム）のようなシーク最適化手法を適用します。これにより、公平性を保ちつつも、そのプロセスが要求するI/Oについては効率良く処理されます。
公平性の保証: 特定のプロセスが大量のI/Oリクエストを発行しても、そのプロセスがディスクを独占することはできません。タイムスライスが経過すれば、必ず次のプロセスのキューへと処理が移ります。これにより、応答性が重要なインタラクティブなアプリケーション（例：デスクトップ環境）が、バックグラウンドの重い処理（例：大規模なファイルコピー）によってフリーズしてしまうのを防ぐことができます。

このように、CFQは「デバイス管理」の観点から、システム全体の応答速度を均一化し、ユーザー体験を向上させることに貢献しています。特に、HDD（ハードディスクドライブ）のように物理的なヘッド移動が必要なデバイスにおいて、その効果は顕著でした。

階層構造における重要性

なぜCFQが「OSの基本機能（プロセス管理, メモリ管理） → デバイス管理 → I/O スケジューラ」というパスで重要なのかを考えてみましょう。

OSの「プロセス管理」は、CPUリソースの公平性を保証します。しかし、I/Oリクエストが偏ると、せっかくCPU時間が割り当てられても、データ待ちでプロセスがブロックされてしまい、結果的に公平性が損なわれてしまいます。CFQは、このプロセス管理の公平性を「デバイス管理」のレイヤーにまで拡張する役割を果たしています。つまり、CFQはプロセス管理と連携し、システム全体の一貫した公平性を実現する要の技術だったと言えるでしょう。

具体例・活用シーン

CFQが最も威力を発揮するのは、複数の用途が混在する汎用的なOS環境、特にデスクトップや多機能サーバーです。

1. マルチタスク環境でのレスポンス維持

例えば、あなたがPCで以下の三つの作業を同時に行っている状況を想像してみてください。

作業A: 巨大なデータベースファイルをバックグラウンドで処理している（大量のランダムな書き込み）。
作業B: OSのアップデートファイルをダウンロードし、ディスクに書き込んでいる（大量のシーケンシャルな書き込み）。
作業C: ウェブブラウザを開き、新しいタブでウェブサイトを閲覧しようとしている（少量のランダムな読み込み）。

もしI/Oスケジューラが公平性を考慮しない場合、作業AやBのような大量のI/Oを発生させるプロセスがディスクを占有し、作業C（ウェブブラウザ）は必要なデータ（ウェブページのキャッシュなど）を読み込むために長時間待たされることになります。結果、ウェブブラウザが数秒間フリーズしたように感じてしまい、ユーザー体験は最悪です。

CFQが稼働していれば、作業A、B、CのそれぞれのI/O要求キューに対して公平に時間が割り当てられます。作業Cの小さなリクエストもすぐに処理されるため、システム全体の応答性が維持され、「待たされている」という感覚が軽減されるのです。

2. アナロジー：銀行の窓口システム

CFQの公平性を理解するための比喩として、「銀行の窓口」を考えてみましょう。

この銀行には、VIP専用窓口や特定の業務に特化した窓口はなく、すべての顧客を公平に扱う窓口（ディスクヘッド）が一つだけあるとします。

CFQがない場合（スループット優先）: 銀行側は効率を重視し、大量の小銭を数える作業（長時間I/O）を始めたら、それが終わるまで他の顧客を一切受け付けません。その結果、たった一枚の書類提出（少量I/O）で済む顧客が、長時間待たされてしまいます。

CFQがある場合: 銀行は、顧客の種類（プロセス）ごとに専用の列（キュー）を設けていると想像してください。窓口係（スケジューラ）は、各列を順番に回り、一つの列につき「3分間だけ」サービスを提供します。3分経ったら、その列の作業が終わっていなくても、次の列に移ります。これにより、大規模な作業をしている顧客は時間がかかりますが、すべての顧客が定期的にサービスを受けられるため、誰もが完全に無視されることはありません。これがCFQの「完全な公平性」の考え方です。

資格試験向けチェックポイント

CFQのような具体的なI/Oスケジューラに関する知識は、基本情報技術者試験や応用情報技術者試験の午後問題、特にOSの内部構造や性能評価に関する分野で問われる可能性があります。ITパスポート試験では、より抽象的な「デバイス管理」の概念として出題されます。

1. I/Oスケジューラの役割の理解（ITパスポート/基本情報技術者）

重要性: I/Oスケジューラは、「デバイス管理」の一部であり、CPUとストレージ間の効率的なデータ転送を実現する機能である、と理解してください。
CFQのキーワード: CFQは「公平性（Fairness）」を主眼に置いたスケジューリング方式であり、「プロセスごとのキュー」を持つのが特徴です。他のスケジューラ（例：Deadline, NOOP）との違いを理解しておくと、知識の整理に役立ちます。

2. 公平性と応答性の関係（基本情報技術者）

出題パターン: CFQは、スループット（単位時間あたりの処理量）を最大化するよりも、応答性（レスポンスタイム）を均一化し、ユーザー体験を向上させることを重視する、という特徴を問う問題が出やすいです。
注意点: CFQは公平性を重視するため、ディスクヘッドの移動距離が増え、結果としてディスクのスループット自体は他の最適化重視のスケジューラ（例：Deadline）に劣る場合がある、というトレードオフを覚えておきましょう。

3. I/Oスケジューラの選択（応用情報技術者）

応用的な知識: 近年主流となっているSSD（ソリッドステートドライブ）は物理的なシーク（ヘッド移動）がないため、CFQのような複雑なスケジューリングが不要になる傾向があります。SSD環境では、CFQよりもシンプルで低遅延なスケジューラ（例：NOOPやMQ-deadline）が推奨されることが多いという背景知識は、応用レベルで役立ちます。
文脈の確認: 問題文で「HDD環境」または「マルチユーザー環境」と指定された場合に、CFQが公平性を保つための有効な選択肢として挙げられます。