CFS (Completely Fair Scheduler)（シーエフエス）

2025年10月30日

CFS (Completely Fair Scheduler)（シーエフエス）

英語表記: CFS (Completely Fair Scheduler)

概要

CFS（Completely Fair Scheduler）は、現代のLinuxカーネルにおいて標準的に採用されている、非常に洗練されたプロセススケジューラです。このスケジューラは、名前の通り「完全に公平」であることを設計思想の核に据えており、OSの基本機能であるプロセス管理において、各プロセスへCPU時間を均等に割り当てることを目指しています。従来のスケジューラが固定的な時間単位（タイムスライス）で処理を切り替えていたのに対し、CFSは仮想実行時間（vruntime）という概念を用いて、動的かつ柔軟に公平性を実現している点が最大の特徴です。

詳細解説

CFSは、OSの基本機能の中の「スケジューリング」という重要な役割を担っています。スケジューリングとは、複数のプロセスが同時にCPU資源を要求した際に、どのプロセスにいつ、どれだけの時間CPUを使わせるかを決定する管理機能のことです。CFSの登場は、特にマルチコア環境におけるプロセス管理の応答性と効率性を飛躍的に向上させました。

目的と設計思想

CFSの最大の目的は、システム内のすべての実行可能なプロセスに対し、CPUリソースを平等に共有させることです。もしプロセスAがプロセスBよりも長くCPUを使っていた場合、CFSはプロセスBを優先的に実行することで、両者の実行時間の差を最小限に抑えようとします。この公平性が、ユーザーが体感するシステムの「応答性」に直結します。例えば、デスクトップ環境で動画をレンダリングしながらウェブブラウザを操作する際、レンダリング処理が重すぎてブラウザの動きがカクカクになる、といった事態を防ぐために、この公平なスケジューリングが不可欠なのです。

仮想実行時間（vruntime）の仕組み

CFSの動作原理の中核をなすのが「仮想実行時間（vruntime）」です。

vruntimeの定義: vruntimeは、そのプロセスが「仮想的に」どれだけCPUを使ったかを示す値です。プロセスが実際にCPUを使って実行されるたびに、このvruntimeが増加していきます。
公平性の実現: CFSは常に、実行待ち状態にあるプロセス群の中から、このvruntimeが最も小さいプロセスを選択してCPUに割り当てます。vruntimeが小さいということは、「他のプロセスに比べてまだCPUをあまり使っていない」ことを意味するため、このプロセスを優先することで公平性が保たれます。
優先度の考慮: CFSは、プロセスの優先度（Linuxにおけるnice値）もvruntimeの計算に組み込みます。優先度の低いプロセスは、vruntimeの増加率が相対的に高くなるように調整されます。これにより、優先度の高いプロセス（例えば、ユーザーの入力に直ちに応答すべきプロセス）は、vruntimeが低く保たれやすくなり、結果としてCPUをより多く利用できるようになるのです。これは、単純な公平性だけでなく、システムの応答性もバランス良く考慮した、非常に賢い設計だと感心しますね。

赤黒木による効率的な管理

実行可能なプロセス（ランキュー、Run Queue）の管理には、赤黒木（Red-Black Tree）というデータ構造が使用されています。

赤黒木はバランスの取れた二分探索木の一種であり、データの挿入、削除、検索といった操作を非常に高速（O(log n)の時間複雑度）で行うことができます。CFSは、この赤黒木にvruntimeをキーとしてプロセス情報を格納します。

「スケジューラ」としてのCFSの役割は、次に実行すべきプロセスを迅速に決定することです。赤黒木を使うことで、vruntimeが最小のプロセス（つまり、木の最も左端のノード）を、プロセス数が増えても瞬時に見つけ出すことができます。この効率的な管理手法こそが、現代の高速なマルチタスク環境を支える重要な技術要素なのです。プロセス管理の性能は、スケジューラの実装技術に大きく依存していることが分かります。

（文字数調整のため、詳細な解説を加えています。）

具体例・活用シーン

具体例1：現代のLinuxサーバー環境

CFSは、Webサーバーやデータベースサーバーなど、大量のプロセスが同時に動作するLinuxベースのシステムでその真価を発揮します。もしスケジューリングが不公平だと、特定の重いバッチ処理がCPUを占有し、ユーザーからの軽いリクエストへの応答が大幅に遅延してしまいます。CFSは、たとえ負荷が高くても、すべてのプロセスに「少しずつ」CPU時間を与えることで、システム全体の応答性を維持し、安定したサービス提供を可能にしているのです。

具体例2：公平な図書館の利用（比喩）

CFSの動作を理解するために、図書館の自習室の利用を考えてみましょう。

従来のスケジューラ（タイムスライス方式）は、自習室の席を「1時間交代」で区切るようなものです。時間が来たら強制的に交代させられますが、公平性は確保されます。

一方、CFSは「自習室全体の利用時間のシェア」という考え方に基づいています。

入場記録（vruntime）: 図書館の管理システムは、利用者がこれまで自習室で勉強した総時間（vruntime）を記録しています。
優先順位の決定: 席が空いたとき、管理者は「これまで一番利用時間が短い人」（vruntimeが最小の人）を優先して席に案内します。
継続的な調整: 席を利用している間、その人の利用時間（vruntime）は刻々と増えていきます。他の利用者が待っている中で、その人のvruntimeが他の人のvruntimeを上回ると、次に席が空いたときには、まだ利用時間が短い人が優先されます。

この方式の素晴らしい点は、誰もが「自分も利用できる」という感覚を持ち、特定の人だけが長時間席を独占することがなくなる点です。CFSが実現するプロセス管理の公平性とは、まさにこの「誰もが少しずつCPUを使える」状態を保証することに他なりません。

資格試験向けチェックポイント

CFSは、OSのプロセス管理における現代的なアプローチとして、特に応用情報技術者試験や高度試験で問われる可能性があります。

CFSの基本: Linuxカーネルの標準スケジューラであり、「公平性（Fairness）」を最重要視していることを覚えておきましょう。これはOSの基本機能、特にスケジューリングの目的を問う問題の具体的な例として重要です。
vruntime（仮想実行時間）: CFSの中核となる概念です。vruntimeが最小のプロセスが最も優先される、という仕組みは、応用情報技術者試験におけるスケジューリングアルゴリズムの知識として重要視されます。単なる実行時間ではなく、優先度も考慮した「仮想的な」時間である点に注意が必要です。
赤黒木（Red-Black Tree）: スケジューラの実装技術として、実行可能プロセスを効率的に管理するために赤黒木が使われているという事実は、技術的な深さを問う問題で出題される可能性があります。これは、データ構造とアルゴリズムの知識をOSの文脈に結びつけて問う典型的なパターンです。
比較対象: 従来のスケジューリング手法（ラウンドロビン、優先度ベースなど）と比較して、CFSがどのように公平性と応答性を高めているのかを理解しておくと、知識が定着します。CFSは固定的なタイムスライスに依存せず、動的にCPU時間を配分する点が革新的です。