ラウンドロビン

2025年10月30日

ラウンドロビン

英語表記: Round Robin

概要

ラウンドロビン（Round Robin）とは、「OSの基本機能（プロセス管理）におけるスケジューリング」で利用される、最も基本的かつ重要なアルゴリズムの一つです。これは、CPUを利用したい複数のプロセスに対し、公平に順番が回ってくるように、ごく短い時間（タイムクォンタム）を割り当てて実行させる方式を指します。特定のプロセスがCPUを独占することを防ぎ、すべてのプロセスに均等な応答時間を提供することを目的としています。この仕組みがあるからこそ、私たちは複数のアプリケーションを同時に快適に利用できるわけですから、非常に重要な概念だと認識してください。

詳細解説

仕組みと目的：なぜ公平性が必要なのか

ラウンドロビン方式は、OSの心臓部である「スケジューラ」が採用する手法であり、特にマルチタスク環境においてその真価を発揮します。私たちが普段使用しているパソコンやスマートフォンは、常に数十、数百ものプロセス（実行中のプログラム）を同時に管理しています。これらのプロセスがCPU時間を奪い合う中で、「誰に、いつ、どれくらいの時間、CPUを使わせるか」を決定するのがスケジューラの役割です。

ラウンドロビンの最大の目的は「公平性（Fairness）」と「応答時間の保証（Response Time）」にあります。もし公平性を欠いた場合、あるプロセス（例えば、巨大なデータ処理プログラム）がCPUを長時間占有し続けてしまい、私たちが入力したキーボード操作を待つプロセス（例えば、テキストエディタ）が全く実行されなくなってしまいます。これでは、ユーザー体験は最悪になってしまいますね。

動作原理：タイムクォンタムとプリエンプション

ラウンドロビン方式の動作を支える主要な要素は、タイムクォンタム（Time Quantum）またはタイムスライス（Time Slice）と呼ばれる概念です。

タイムクォンタムの設定: まず、OSは各プロセスに割り当てる実行時間の最小単位を非常に短く設定します（通常は数ミリ秒から数十ミリ秒）。これがタイムクォンタムです。
待ち行列（キュー）: CPUを待っているプロセスは、すべて「実行可能状態」の待ち行列（Ready Queue）に並びます。この待ち行列はFIFO（First-In, First-Out：先入れ先出し）の構造を持っています。
順番の実行: スケジューラは、待ち行列の先頭にあるプロセスを取り出し、タイムクォンタム分だけ実行させます。
プリエンプション（横取り）:
- もしプロセスがタイムクォンタムを使い切る前に処理を終えた場合、そのプロセスは待ち行列から外されます。
- しかし、タイムクォンタムを使い切っても処理が終わらなかった場合、OSは強制的にそのプロセスからCPUの制御を横取り（プリエンプション）します。
再配置: 横取りされたプロセスは、待ち行列の最後尾に戻されます。そして、スケジューラは待ち行列の次のプロセスを先頭から取り出し、実行を開始します。

この動作を繰り返すことで、すべてのプロセスが順番に、短いながらも確実にCPU時間を受け取ることができ、「まるで同時に動いているかのように」見えるマルチタスク環境が実現するのです。

タイムクォンタムの長さの影響

このラウンドロビン方式の性能は、設定するタイムクォンタムの長さに大きく依存します。これは非常に奥深いポイントです。

タイムクォンタムが非常に短い場合: 各プロセスは頻繁に実行されますが、プロセスが切り替わるたびにコンテキストスイッチ（Context Switch）というオーバーヘッドが発生します。コンテキストスイッチとは、現在のプロセスの状態（レジスタの値など）を保存し、次に実行するプロセスの状態を読み込む作業です。この切り替えコストが無視できなくなり、CPUが実際の処理ではなく切り替え作業ばかりに時間を費やしてしまうため、システム全体の効率（スループット）は低下します。
タイムクォンタムが非常に長い場合: コンテキストスイッチの頻度は減り、効率は上がりますが、ラウンドロビンの持つ公平性が失われます。タイムクォンタムが無限大に近づくと、それは事実上、単純なFCFS（First-Come, First-Served：到着順）方式と変わらなくなり、応答時間が保証できなくなります。

したがって、OS設計者は、応答性（短いタイムクォンタム）とスループット（長いタイムクォンタム）のバランスを取るために、最適なタイムクォンタムの長さを決定する必要があるのです。この調整こそが、スケジューラ設計の醍醐味と言えるでしょう。

具体例・活用シーン

ラウンドロビンは、OSの基本機能（プロセス管理）の中でも、特に「タイムシェアリングシステム」や「対話型システム」において不可欠なスケジューリング手法です。

1. 回転寿司のベルトコンベア（アナロジー）

ラウンドロビン方式を理解するための最も分かりやすい比喩は、回転寿司のベルトコンベアです。

想像してみてください。CPUを待っているプロセスが、お寿司が乗った皿だとします。

待ち行列: 皿（プロセス）はベルトコンベア（待ち行列）の上を流れています。
タイムクォンタム: お客様（CPU）の目の前を皿が通過する時間が、タイムクォンタムです。お客様は、目の前を流れている短い時間内に、その皿（プロセス）を処理するかどうかを決めなければなりません。
処理: お客様が皿を取って食べ終わる（処理が完了する）前に、コンベアが動き出してしまったら、その皿は一旦流れていきます。
再配置: 処理しきれなかった皿は、コンベアの最後尾に回り込み、再び順番が来るのを待ちます。

この仕組みのおかげで、特定の皿（プロセス）がお客様の目の前で永遠に留まることはありません。すべてのお皿が均等に、そして繰り返し、お客様の目の前に提供される機会を得ることができます。これにより、最初に来たお皿も、後から来たお皿も、ある程度平等にサービスを受けられるのです。

2. サーバーリソースの割り当て

実際のコンピューティング環境では、ラウンドロビンはネットワーク負荷分散（ロードバランシング）のアルゴリズムとしても利用されますが、ここではOSのプロセス管理に限定して考えます。

現代のマルチタスクOSでは、ユーザーがウェブブラウザ、音楽プレイヤー、ワードプロセッサ、チャットアプリなどを同時に起動しています。これらのアプリはすべてプロセスとして実行されます。ラウンドロビン方式が適用されることで、ブラウザが重い画像をロードしている最中であっても、音楽プレイヤーのプロセスには定期的にCPU時間が割り当てられるため、音楽が途切れることなく再生され続けることができます。もしラウンドロビンがなければ、画像ロードが完了するまで音楽が停止してしまうでしょう。このように、ユーザーの体感的な「スムーズさ」を支えているのが、この公平なスケジューリングなのです。

資格試験向けチェックポイント

OSの基本機能（プロセス管理, メモリ管理）の中でも、スケジューリングは特に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）で頻出する項目です。ラウンドロビンは基礎中の基礎として出題されます。

キーワードの理解: 「ラウンドロビン」＝「タイムクォンタム」＝「プリエンプティブ（横取り）方式」というセットで必ず覚えてください。
- ITパスポート/基本情報: 定義と特徴（公平性、プリエンプション）が問われます。FCFS（非プリエンプティブ）や優先度順方式との違いを明確に区別できるようにしましょう。
プリエンプティブ方式であること: ラウンドロビンは、実行中のプロセスから強制的にCPUを奪い取れる「プリエンプティブ」方式の代表例です。これに対して、FCFSのようにプロセスが自発的に終了するか、入出力待ちになるまでCPUを使い続ける方式を「非プリエンプティブ」と呼びます。この分類は非常に重要です。
性能指標との関係（応用情報向け）: 応用情報技術者試験では、ラウンドロビン方式における「平均待ち時間」や「平均ターンアラウンドタイム」を計算させる問題が出題されることがあります。計算問題では、タイムクォンタムの長さと、コンテキストスイッチの回数（切り替えにかかる時間）を考慮に入れる必要があります。
- 計算問題のコツとして、プロセスが待ち行列を何周するかを視覚的に追跡する表を作成すると間違いにくいです。
他のスケジューリングとの比較:
- FCFS: 待ち時間が長くなりがちだが、オーバーヘッド（コンテキストスイッチ）は少ない。
- ラウンドロビン: 応答時間は保証されるが、コンテキストスイッチのオーバーヘッドが大きい。