コンテキストスイッチ

コンテキストスイッチとは

1つの CPU コアは、ある瞬間には たった1つの実行単位（プロセスやスレッド）しか動かせません。それでも私たちのパソコンが多数のアプリを同時に動かしているように見えるのは、OS が 高速に実行対象を切り替えている からです。

この 実行対象を切り替える処理 が コンテキストスイッチ です。「コンテキスト（文脈）」とは、その実行単位が どこを・どんな状態で実行していたか を表す情報の総称を指します。

切り替えるには、いま走っていた側の状態を 保存（退避） し、次に走らせる側の状態を 復元 する必要があります。途中で止めても、後で続きから再開できるようにするためです。

何を退避・復元するのか

「コンテキスト」の中身は、主に CPU 内部の状態です。

• 汎用レジスタ：計算途中の値などが入っている
• プログラムカウンタ（PC）：次に実行する命令の番地
• スタックポインタ：呼び出し履歴やローカル変数の位置
• 各種ステータスレジスタ：演算結果のフラグなど

これらをまとめてメモリ上の管理領域（プロセスごとの PCB＝プロセス制御ブロック など）に保存し、次の実行単位の分を読み戻します。

切り替えの流れ:
  実行中タスクA
     │ 退避: A のレジスタ・PC・SP をメモリへ保存
     ▼
  スケジューラが次（B）を選ぶ
     │ 復元: B のレジスタ・PC・SP をCPUへ書き戻す
     ▼
  タスクB が続きから再開

どのタスクに切り替えるかを決めるのは スケジューリング の役割です。コンテキストスイッチは、その決定を 実際に実行する 担当だと言えます。

いつ起こるのか

コンテキストスイッチが発生する主なきっかけは次のとおりです。

• タイムスライス満了：割り当て時間を使い切ったので交代する
• I/O 待ち：ディスクやネットワークの応答待ちで、その間に別タスクを走らせる
• 割り込み：ハードウェア割り込みなどで、より優先すべき処理に移る
• より高優先度のタスクが実行可能 になった

特に I/O 待ち は重要です。応答を待つだけの間 CPU を遊ばせるのはもったいないので、OS はその隙に別タスクを動かします。これが「待ち時間の多い処理でもシステム全体は効率よく動く」理由です。

オーバーヘッドという代償

コンテキストスイッチ自体は、ユーザーの仕事を1ミリも進めません。状態を保存して読み戻すだけの 純粋なオーバーヘッド です。

しかも目に見える退避・復元だけがコストではありません。

コスト	内容
直接コスト	レジスタ等の退避・復元、スケジューラの実行
間接コスト	CPU キャッシュの中身が無効化され、再ヒットまで遅くなる
プロセス間切替	さらに仮想アドレス空間（ページテーブル）を切り替え、TLB も無効化

まとめ

• コンテキストスイッチは、CPU が 実行対象を別のプロセス/スレッドへ切り替える 処理。
• レジスタ・PC・スタックポインタ などを退避・復元し、続きから再開できるようにする。
• 時間切れ・I/O 待ち・割り込み・優先度変化などを契機に起こる。
• それ自体は 仕事をしないオーバーヘッド で、プロセス間切替は特に重い。

切り替え対象の選択は スケジューリング、切り替えられる実行単位は プロセスとスレッド も参照してください。