並行処理

2025年11月16日

並行処理

英語表記: Concurrency

概要

並行処理とは、限られた計算資源（主に一つのCPUコア）を用いて、複数のタスクを非常に短い時間間隔で切り替えながら実行することで、あたかも同時に処理が進んでいるように見せる方式です。この処理は、「並行・並列処理」の分野における「並行と並列の基礎」を理解する上で、最も土台となる考え方です。特に「定義と違い」という文脈においては、複数のリソースで真の同時実行を行う「並列処理 (Parallelism)」と厳密に区別される点が極めて重要になります。並行処理の主な目的は、システムの応答性を高め、リソースの待機時間を有効活用することにあるのです。

詳細解説

並行処理の核心は、「時間分割（タイムスライシング）」と「コンテキストスイッチ」という二つの技術にあります。これは、ITシステムがマルチタスク環境を実現するための古くからの、そして最も基本的な技術であり、「並行と並列の基礎」として学ぶべき中心概念です。

1. 動作原理：コンテキストスイッチ

並行処理環境下では、オペレーティングシステム（OS）のスケジューラが非常に重要な役割を果たします。スケジューラは、実行中のプロセスやスレッドに対して、ごく短い時間（ミリ秒単位）の実行権を与えます。この実行時間枠を使い切るか、あるいはタスクがI/O待ち（ファイル読み込みやネットワーク通信など）に入ると、OSは現在のタスクの実行状態（レジスタの値、プログラムカウンタの位置など）をメモリに保存します。この保存作業を「コンテキストの保存」と呼びます。

次に、OSは次に実行すべき別のタスクを選び出し、そのタスクが以前停止したときの状態（コンテキスト）をメモリから呼び出してCPUにロードします。この一連の切り替え作業全体を「コンテキストスイッチ」と呼びます。

2. 並列処理との決定的な違い

私たちが今学んでいる「定義と違い」の文脈において、並行処理を理解する最大のポイントは、実行主体が一つであるという点です。例えば、CPUがシングルコアの場合、その瞬間に計算を行っているタスクは必ず一つだけです。しかし、このスイッチングが人間の知覚が追いつかないほど高速に行われるため、ユーザーにはワープロを使いながら音楽を再生し、裏でファイルをダウンロードしている状態が「同時に動いている」ように見えます。

これに対し、並列処理はマルチコアCPUやGPUなど、複数の実行リソースを物理的に利用し、真に同時に複数のタスクを実行する方式です。並行処理はリソースの「共有」による応答性の向上を目指しますが、並列処理はリソースの「増加」による処理速度そのものの向上（スループットの最大化）を目指すという点で、目的と手段が根本的に異なります。この違いを明確に把握することが、「並行と並列の基礎」を固める第一歩となります。

3. メリットとオーバーヘッド

並行処理の大きなメリットは、CPUがI/O待ちなどでアイドル状態になるのを防ぎ、システム全体のスループットを向上させる点です。また、ユーザー体験としてシステムの応答性が高く感じられるため、現代のOSには欠かせない機能です。

しかし、コンテキストスイッチには必ずオーバーヘッドが伴います。コンテキストの保存と復元には時間がかかり、これが頻繁に発生しすぎると、タスクの実行そのものよりもスイッチングにかかる時間の方が長くなってしまうという現象（スラッシングなど）が発生するリスクがあります。そのため、OSのスケジューラは、効率的な並行処理を実現するために、このオーバーヘッドを最小限に抑えるよう設計されているのです。これは、並行・並列処理の最適化を考える上で非常に奥深いテーマですね。

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具体例・活用シーン

並行処理は、限られたリソースを有効活用し、ユーザーにストレスのない体験を提供するために、あらゆるITシステムで利用されています。

1. シングルコアCPUでのマルチタスク

初期のスマートフォンやパソコンはシングルコアCPUが主流でしたが、並行処理のおかげで、私たちはブラウザを開き、メールをチェックし、BGMを流すといった複数の作業を同時に（見かけ上）行うことができました。もし並行処理がなければ、一つのタスクが終わるまで次のタスクを開始できない、非常に非効率なシステムになってしまいます。

2. ウェブサーバーの応答

ウェブサーバーは、世界中の何百、何千というユーザーからのリクエストを同時に処理する必要があります。サーバーが並行処理を採用している場合、一つのリクエストに対する処理（例えばデータベースへの問い合わせ）が完了するのを待っている間、CPUはその待ち時間を利用して別のユーザーからのリクエストの処理に切り替わります。これにより、限られたサーバーリソースで、多数のユーザーに対して迅速な応答を提供することが可能になります。

3. アナロジー：シングルタスクの料理人

並行処理を理解するための最高の比喩は、「一人で複数の注文をさばく凄腕の料理人」です。

この料理人（＝CPU）は一人しかいません（＝シングルコア）。
* まず、Aさんのパスタ（タスクA）の麺を茹で始めます（処理開始）。
* 麺が茹で上がるまでには時間がかかります（I/O待ち）。この「待ち時間」を無駄にせず、料理人はすぐにBさんのステーキ（タスクB）の肉を焼き始めます。
* 肉を焼きながら、ふと麺が茹で上がったことに気づき、一旦ステーキから手を離して、パスタのソース作り（タスクAの続き）に移ります。
* ソースを混ぜている間に、ステーキの焼き加減を見るために再びスイッチします。

このように、料理人はタスクAとタスクBを頻繁に切り替え、どちらの待ち時間も最大限に活用しています。結果として、AさんとBさんは「ほぼ同時に」料理が完成したと感じるでしょう。これが並行処理です。

一方、もしこのキッチンに料理人が二人いたら、AさんとBさんの料理は真に同時に作られます。これが並列処理です。

並行処理は、リソースが不足している状況下で、いかに効率よく、かつ応答性高く振る舞うかという「並行と並列の基礎」における知恵の結晶なのです。

資格試験向けチェックポイント

並行処理は、ITパスポート、基本情報技術者試験（FE）、応用情報技術者試験（AP）の「並行と並列の基礎」のセクションにおいて、必ず出題される重要テーマです。特に「定義と違い」に関する知識が問われます。

| 項目 | 詳細な出題パターンと対策 |
| :— | :— |
| 定義の区別 | 並行処理は「一つのリソースでの切り替えによる見かけ上の同時実行」であり、並列処理は「複数のリソースによる真の同時実行」であるという、核心的な違いを問う問題が頻出します。キーワードは「コンテキストスイッチ」と「マルチコア/マルチプロセッサ」です。 |
| 実現技術 | 並行処理を実現するためのメカニズムとして、「コンテキストスイッチ」や「タイムスライシング」の役割を問う選択肢問題が出ます。特にコンテキストスイッチのオーバーヘッド（処理負荷）についても理解しておく必要があります。 |
| 目的 | 並行処理の目的は、処理速度そのものの向上よりも、システムの応答性の向上やリソースの有効活用（アイドル時間の削減）にあることを理解しましょう。並列処理の目的は「スループットの最大化」や「処理時間の短縮」です。 |
| 重要用語 | スループット、レイテンシ（遅延）、コンテキストスイッチ、マルチタスク、マルチスレッドといった関連用語が、並行処理の文脈でどのように使われるかを整理しておくことが、応用情報技術者試験レベルでは求められます。 |
| 適用範囲 | 「並行・並列処理」の文脈で、マルチスレッドプログラミングがシングルコア環境で実行された場合、それは「並行処理」として動作することを理解してください。つまり、マルチスレッド＝並列処理、ではない点に注意が必要です。 |