コンテキストスイッチ

2025年10月14日

コンテキストスイッチ

英語表記: Context Switch

概要

コンテキストスイッチとは、コンピュータの制御装置が実行中のタスク（プロセスやスレッド）を一時的に中断し、別のタスクに切り替えてCPUの利用権を渡す一連の処理のことです。これは、マルチタスク環境において、限られたCPU資源を複数のタスク間で公平かつ効率的に共有するために不可欠な、制御フロー管理の中核機能といえます。この処理によって、ユーザーは複数のアプリケーションが同時にスムーズに動作しているように感じることができるのです。

詳細解説

コンテキストスイッチは、私たちが普段利用しているコンピュータの応答性を支える、非常に重要な裏方の作業です。この概念を深く理解するには、まず、なぜ制御装置がこの切り替えを行わなければならないのか、そして具体的に何を保存・復元しているのかを知る必要があります。

制御フロー管理における目的

コンテキストスイッチの主な目的は、CPUの利用効率の最大化と、システムの応答性の確保です。

コンピュータの構成要素のうち、制御装置は命令の解釈と実行順序の制御を担当していますが、もし一つのタスクがCPUを独占し続けた場合、他のタスクは永遠に待たされることになります。例えば、あるタスクがファイルやネットワークからの入出力（I/O）待ちに入った場合、そのタスクはCPUを必要としません。ここで制御装置は賢く判断し、I/O待ちでアイドル状態になっているタスクからCPUを取り上げ、すぐに実行できる別のタスクに制御フローを切り替えるのです。

動作のメカニズムと構成要素

コンテキストスイッチは、主に以下の3つのステップで構成され、OS（オペレーティングシステム）のカーネルによって実行されます。

現在のコンテキストの保存（退避）:
現在実行されているタスクが中断される際、そのタスクの状態情報（コンテキスト）がメモリ上の特定の領域（通常はプロセス制御ブロック：PCB、またはスレッド制御ブロック：TCB）に保存されます。この「コンテキスト」とは、CPUがタスクを再開するために必要なすべての情報、具体的にはレジスタの内容、プログラムカウンタ（次に実行すべき命令のアドレス）、スタックポインタ、各種ステータス情報などを含みます。この保存作業は、制御装置がメモリに対して書き込み指示を出すことで行われます。
次に実行するタスクの選択:
OSのスケジューラ（これも制御フロー管理機能の一部です）が、次にCPUを利用すべきタスクを決定します。
新しいコンテキストの復元（ロード）:
選択された新しいタスクのコンテキスト情報が、メモリからCPUのレジスタ群に読み込まれます。特にプログラムカウンタが復元されることで、CPUは切り替え先のタスクが中断された場所から命令の実行を再開できるようになります。

この一連の保存と復元の処理は、命令の実行そのものではなく、切り替えのために費やされる「オーバーヘッド」となります。したがって、制御装置は、このコンテキストスイッチの処理時間をいかに短縮するかが、システム全体のパフォーマンスを左右する重要な鍵となるのです。

階層との関連付け

コンテキストスイッチは、「コンピュータの構成要素」の中の「制御装置」が担う「制御フロー管理」の具体的な実装そのものです。命令の解釈と制御信号の生成を行う制御装置が、どの命令を実行するか（どのタスクの命令を実行するか）を切り替えるための信号やメモリ操作を管理しているため、この階層構造の中で非常に重要な位置を占めています。

具体例・活用シーン

コンテキストスイッチは、私たちが日常的にコンピュータを使うあらゆる場面で発生しています。

1. タイムスライスの終了

マルチタスクOSでは、各タスクに非常に短い実行時間（タイムスライス、例えば数十ミリ秒）が割り当てられています。タスクAが割り当てられた時間を使い切ると、割り込みが発生し、制御装置はタスクAの実行を強制的に中断させ、タスクBへ切り替えます。これはCPU時間を公平に分配するための、最も一般的なスイッチングのトリガーです。

2. I/O待ちによる自発的な中断

ユーザーがアプリケーションでファイルを保存する際、タスクはストレージ（HDDやSSD）への書き込みを待ちます。I/O操作はCPUの処理速度と比較して非常に遅いため、タスクは「私は今、待機状態に入ります」とOSに伝え、自発的にCPUを明け渡します。制御装置は、この機会を逃さずに別のタスクに切り替えることで、CPUが遊んでいる時間をなくします。