タスク間通信とリソース共有

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タスク間通信とリソース共有

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2020/11/09 15:59 UTC 版)

「リアルタイムオペレーティングシステム」の記事における「タスク間通信とリソース共有」の解説

マルチタスクシステムでは、複数のタスク間でデータやハードウェアリソースを共有するという問題に対処しなければならない。一般に2つのタスクが同時に同じデータや同じハードウェアリソースにアクセスすることは危険である（ここで「危険」と言うのは、タスクが複数のデータの集合体を更新中だった場合などに、結果の一貫性が保てず、予期しない結果を生じることを意味する。他のタスクがそのデータ集合体にアクセスするのは、更新が始まる前か更新を完了した後でなければならない）。これを解決する一般的方法として以下の3種類があげられる。 割り込みを一時的に不可（マスク）とする。 2値セマフォ。ロックあるいはミューテックスとも呼ぶ。 メッセージ渡し (Message Passing) 汎用OSではユーザープログラムが割り込みをマスクすることはできないのが一般的である。というのもCPUモードによってユーザーができることは限られているためである。最近のCPUは割り込みマスクのレジスタや命令をユーザーモードでアクセスできないようにしている。しかし、組み込みシステムやRTOSの多くはアプリケーションをカーネルモードで実行可能であり、システムコールを効率化したり、OSの介入なしで動作環境の制御ができるようになっている。 シングルプロセッサシステムでは、アプリケーションをカーネルモードで実行して割り込みマスクの制御も可能なら、共有リソースへの同時アクセスを防ぐ方法としてはそれが最も効率的（オーバヘッドが小さい）である。割り込みがマスクされていると、実行中タスクはCPUを独占することができ、他のタスクや割り込みが制御を奪うことはできない。そのためクリティカルセクションは効率的に保護される。タスクがクリティカルセクションを抜けたとき、割り込みマスクが解除され、保留されていた割り込みがあれば、その処理が実行される。割り込みマスクは、クリティカルセクションの期間が割り込み処理遅延時間の要求指標を守る範囲内でなければならない。一般にこの方法はクリティカルセクションがソースコードでほんの数行でループが含まれていない場合のみ適用される。ハードウェアのビットマップレジスタを複数のタスクが操作する場合、この方法による排他が理想的である。 クリティカルセクションがもっと長かったりループを含んでいる場合、セマフォやOS提供のプロセス間通信機能を使用しなければならない。そのような機能はシステムコールとして実装されているのが一般的で、完了時にOSのディスパッチ処理が実行される。そのため、割り込みマスクと比較すると非常に長時間を要する可能性がある。しかし、クリティカルセクションが長い場合、割り込み遅延時間の問題があるので選択の余地はない。 2値セマフォは、ロック状態かアンロック状態である。ロックされている場合、タスクはそのセマフォを待つためのキューに登録される。一般にタスクはセマフォの待ち時間のタイムアウト値を設定できる。セマフォに関する問題として、優先順位の逆転やデッドロックがよく知られている。 「優先順位の逆転」では、高優先度タスクが低優先度タスクの持つセマフォを待つため、低優先度のタスクが先に処理される。一般的な解決策としては優先度継承や優先度上限プロトコルがある。「デッドロック」は複数のセマフォを獲得しようとする複数のタスクが存在する場合に発生する。デッドロックはセマフォの獲得順を厳密に設計することで回避するのが一般的である。ただし、同種のリソースを2個同時に獲得しなければならない場合、それぞれのセマフォの獲得順を厳密に決定することは困難である。その場合、例えばセマフォを獲得できないときにビジーウェイトもブロックもしないでエラーを返すプリミティブを用意するなどの方式がある。 タスク間のリソース共有の別の方法として「メッセージ渡し」がある。この場合、あるリソースは直接的には特定の1つのタスクのみが管理し、他のタスクがそのリソースにアクセスしたい場合は、管理タスクにメッセージを送信する。この方式でも優先順位の逆転やデッドロックは発生する可能性がある。しかし、システムが単純であればデッドロックが発生しないように設計可能であるため、性能的にはセマフォよりも不利だが、動作を予測し易い。