タイマ割り込み

2025年10月30日

タイマ割り込み

英語表記: Timer Interrupt

概要

タイマ割り込みは、OSの基本機能（プロセス管理, メモリ管理）の中でも、特にスケジューリングを実現するために必須となる、非常に重要な仕組みです。これは、ハードウェアタイマによって決められた一定時間（タイムスライス）が経過した際に発生する、強制的な割り込み信号のことを指します。この割り込みが発生することで、現在CPUを占有しているプロセスから制御を奪い、OSのコンテキストスイッチ処理を起動させるトリガーとなります。これにより、複数のプロセスがCPUを公平に利用できるようになり、マルチタスク環境が実現されるのです。

詳細解説

公平なスケジューリングを実現するための核心

私たちがパソコンやスマートフォンで複数のアプリケーションを同時に快適に動かせるのは、このタイマ割り込みのおかげだと言っても過言ではありません。もしタイマ割り込みがなければ、あるプロセスが一度CPUを掴んでしまうと、そのプロセスが自発的にCPUを解放するまで、他のプロセスは永遠に待たされ続けることになります。これは、OSのプロセス管理における公平性の原則に反してしまいますよね。

タイマ割り込みの主な目的は、まさにこの「CPUの占有を防ぎ、公平性を保証する」ことにあります。

動作のメカニズム

タイマ割り込みは、OSのスケジューリング機能と密接に連携して動作します。

タイマの設定: OS（カーネル）が新しいプロセスにCPUを割り当てる際、同時にハードウェア内部にあるタイマ（カウンタ）に、そのプロセスに与える実行時間（タイムスライス）を設定します。
カウントダウン: プロセスが実行されている間、タイマは設定された時間に向けてカウントダウンを続けます。
割り込みの発生: 設定時間がゼロになると、ハードウェアタイマはCPUに対して「時間切れです！」という信号、すなわちタイマ割り込み信号を発します。
コンテキストスイッチの開始: CPUは現在実行中の処理を中断し、この割り込みを処理するために、即座にOSのカーネルモードに移行します。このとき、中断されたプロセスの状態（レジスタの値など）をメモリに保存する作業、つまりコンテキストスイッチの準備が始まります。
スケジューラの起動: カーネルは、この割り込みを受けてスケジューラを起動します。スケジューラは、次に実行すべきプロセスをスケジューリングアルゴリズム（例：ラウンドロビン方式）に基づいて決定します。
新しいプロセスの実行: スケジューラが選んだ新しいプロセスの保存されていたコンテキスト（状態）をCPUに復元し、そのプロセスの実行を再開します。

このように、タイマ割り込みは、OSが自律的かつ定期的にコンテキストスイッチを実行し、CPUの制御を強制的に奪い返すための「時限装置」として機能しているのです。この繰り返しによって、あたかもすべてのプロセスが同時に動いているかのように見える、真のマルチタスク環境が実現されます。

このプロセスを通じて、タイマ割り込みは外部割り込み（ハードウェアからの信号）の一種として分類されますが、その役割は純粋にプロセス管理とスケジューリングの実現に特化している点が特徴的です。

階層における重要性

タイマ割り込みは、スケジューリングアルゴリズムが机上の空論で終わらないようにする、物理的な裏付けです。特に、時間を区切ってプロセスを順番に実行する「ラウンドロビン」方式のようなプリエンプティブ（横取り型）スケジューリングにおいては、タイマ割り込みなしには成り立ちません。タイマ割り込みがなければ、OSはプロセスを「横取り」して強制的に切り替える（コンテキストスイッチ）ことができず、実用的なマルチタスクOSは実現不可能となってしまうでしょう。

具体例・活用シーン

具体的な活用例

タイマ割り込みは、私たちが日常的に利用するOSのあらゆる場面で活用されています。

ラウンドロビン方式の実現: 多くの汎用OS（Windows, macOS, Linuxなど）が採用している最も基本的なスケジューリング方式です。各プロセスに公平に短い時間（例：数ミリ秒）のCPU時間を割り当てるために、タイマ割り込みが厳密に利用されます。
システム時刻の維持: タイマ割り込みは、定期的に発生するため、OSが正確なシステム時刻を維持し、時計を刻み続けるための基準としても利用されます。

比喩：砂時計を持った議長

タイマ割り込みの役割を理解するために、少し親しみやすい比喩を考えてみましょう。これは、スケジューリングとコンテキストスイッチの動きを分かりやすく示してくれます。

ある重要な会議で、多くの参加者（プロセス）が順番に発言（CPU実行）したい状況を想像してください。この会議を円滑に進める議長（OSのスケジューラ）がいます。

議長は、誰か一人が延々と話し続けるのを防ぎ、全員に公平な発言機会を与えるために、砂時計（タイマ割り込みの仕組み）を持っています。

発言開始: 議長はAさん（プロセスA）に発言権を与えると同時に、砂時計をひっくり返します。
時間切れ: 砂が全て落ちきった瞬間（タイマ割り込み発生）、議長は「時間です！」と強制的に発言を中断させます。
発言者の交代: Aさんは話の途中であっても中断され、議長はAさんの現在の発言内容（コンテキスト）をメモに記録します。
次の人へ: 議長は次に発言すべきBさん（プロセスB）を選び、Bさんに発言権を与え、再び砂時計をひっくり返します。

この砂時計が「タイマ割り込み」の役割を果たしています。この強制的な時間制限と、発言者の強制的な交代（コンテキストスイッチ）があるからこそ、会議（マルチタスク環境）は滞りなく、公平に進むことができるのです。砂時計がなければ、Aさんが会議を独占してしまうかもしれませんね。

資格試験向けチェックポイント

タイマ割り込みは、OSの基本機能（プロセス管理）の理解度を測る上で非常に頻出するテーマです。特に、スケジューリング方式と関連付けて出題されます。

| 試験レベル | 重点項目と問われ方 |
| :— | :— |
| ITパスポート (IP) | 割り込みの種類と役割。タイマ割り込みが「外部割り込み」または「ハードウェア割り込み」の一種であり、CPUの公平利用やマルチタスクを実現するために使われる、という基本定義が問われます。また、タイマ割り込みがコンテキストスイッチを引き起こすトリガーであるという関連性を理解しておきましょう。 |
| 基本情報技術者 (FE) | スケジューリングアルゴリズムとの関係。ラウンドロビン方式や優先度ベースのプリエンプティブ方式が、タイマ割り込みによってどのように実現されるかを理解することが求められます。タイマ割り込みの発生時に、OSが具体的にどの処理（コンテキストの保存、スケジューラの実行）を行うかという一連の流れが問われます。 |
| 応用情報技術者 (AP) | 性能評価とオーバーヘッド。タイマ割り込みの頻度（タイムスライスの長さ）がシステム性能に与える影響について問われることがあります。タイムスライスが短すぎると、タイマ割り込みとそれに伴うコンテキストスイッチの回数が増え、オーバーヘッド（処理の切替にかかる無駄な時間）が増大するという概念を理解しておく必要があります。 |

試験対策のコツ:
タイマ割り込みは、プロセス管理における「強制的な切り替え」の手段です。自発的な切り替え（I/O待ちなど）と区別して、OSが主導権を握るプリエンプション（横取り）の根拠であることをしっかり覚えておくことが重要です。