多重プログラミングとは？わかりやすく解説
ITの初心者
先生、『多重プログラミング』ってどういう意味ですか？
IT･PC専門家
『多重プログラミング』とは、コンピュータが一度に複数のプログラムを実行することを指すよ。
ITの初心者
つまり、複数のタスクを同時に処理できるってことですか？
IT･PC専門家
その通り。この機能を『マルチタスク』と呼ぶよ。
多重プログラミングとは。
「多重プログラミング」とは、コンピュータが複数のプログラムを同時に実行する仕組みです。つまり、コンピュータが「マルチタスク」と呼ばれる機能を備えていることを意味します。
多重プログラミングの定義
多重プログラミングとは？複数のプログラムやプロセスが単一のコンピュータシステムで同時に実行されるコンピューティングの手法のことです。この手法では、システム資源が効率的に利用されます。つまり、プロセッサがアイドル状態にならないように、複数のプログラムが同時に実行中の状態を維持します。
多重プログラミングの仕組み
多重プログラミングの仕組みを理解するために、オペレーティングシステム (OS) の役割を認識することが重要です。OSは、複数のタスクやプロセスを管理し、各タスクにCPUリソースを割り当てます。これにより、1つのタスクが完了するのを待つことなく、複数のタスクを同時に実行できます。
タスクは、プロセッサが実行できる最も小さな命令単位であるスレッドに分割できます。OSは、使用可能なプロセッサコアにスレッドを割り当て、それらが同時に実行されるようにスケジュールを立てます。各スレッドは独立して実行され、独自のコード、データ、スタック領域を持ちます。
多重プログラミングでは、CPUがアイドル状態になるのを防ぎ、リソースを効率的に利用できます。タスクの1つがブロックされると（入出力を待っているなど）、OSは別のタスクを実行し始めます。このサイクルが継続し、アイドル時間が最小限に抑えられます。
多重プログラミングの利点
多重プログラミングは、システムの効率向上に大きなメリットをもたらします。主な利点としては、CPUのアイドル時間の削減が挙げられます。複数のプログラムが同時に実行されることで、CPUがアイドル状態になる時間が減り、システム全体としてのスループットが向上します。また、多重プログラミングは待ち時間の短縮にも寄与します。あるプログラムがI/O処理を待っている間に、別のプログラムが実行できるためです。これにより、ユーザーの体感的な応答時間が改善されます。さらに、多重プログラミングはリソースの有効活用を実現します。システムリソースは、複数のプログラム間で共有されるため、リソースの非効率な使用を避けることができます。
多重プログラミングの課題
-# 多重プログラミングの課題
多重プログラミングはプロセッサの効率を向上させます。しかし、同時にいくつかの課題も生じます。
最大の課題はデッドロックです。デッドロックとは、複数のプログラムが互いにロックされる状態を指します。この場合、ロックを解放するのに必要な資源がそれぞれが保有しているため、プログラムは進行できなくなります。
別の課題はメモリ管理です。多重プログラミングでは、複数のプログラムが同時にメモリを使用します。そのため、メモリ不足やメモリ破損を防ぐための効率的なメモリ管理が必要です。
また、I/O操作の処理も課題になります。I/O操作は時間がかかり、プログラムの実行速度に影響を与えます。多重プログラミングでは、I/O操作を並列化またはオーバーラップさせて効率を向上させる工夫が必要です。
多重プログラミングが使用される分野
多重プログラミングが使用される分野は多岐にわたります。最も一般的なのは、オペレーティングシステム（OS）において、複数のタスクやプロセスを同時に実行することです。これにより、ユーザーは複数のアプリケーションを同時に使用したり、バックグラウンドでプロセスを実行したりできます。
また、実時間システムでは、多重プログラミングが使用されて、複数のタスクを予測可能なタイミングで確実に実行します。この技術は、航空宇宙、医療、自動制御などの分野に不可欠です。
さらに、データベースシステムでは、複数のユーザーからの同時アクセスを処理するために多重プログラミングが使用されます。これにより、データベースへの高速なアクセスと信頼性が確保されます。