「Windowsの裏側」で何が起きている？ カーネルで学ぶ動作の秘密：Windows「カーネル」の基礎【後編】

OSが安定して動作する裏側では、カーネルが膨大なプロセスやリソースを制御している。Windowsの安定稼働に欠かせないカーネルの仕組みを、基本から解説する。

[Ed Tittel，TechTarget]

　私たちが日常的に使っているMicrosoftのクライアントOS「Windows」の裏側では、膨大な数の処理や制御が絶え間なく行われている。その中核的な存在がカーネルだ。カーネルは、ハードウェアとソフトウェアの橋渡しをする役割を担う。特にWindowsのような複雑なOSでは、カーネルが果たす役割は極めて多岐にわたる。

「Windowsのカーネル」は何をしている？　その秘密を解説

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　カーネルはOSの中核として、次の3つの重要な役割を担う。

1. ユーザーとアプリケーションがOSとやりとりをするためのインタフェースを提供する（図1）。ユーザーモードで動作するアプリケーションが、CPUやメモリ、ストレージなどのシステムリソースにアクセスできるよう、カーネルが仲介役となる。
2. アプリケーションの起動、管理、同時実行の調整を担う。複数のアプリケーションが同時に動作していても、それぞれが適切にリソースを使えるように、CPU時間やメモリなどを割り当て、スケジューリングを調整する。
3. ハードウェアデバイスや各種システムサービスの制御および管理を担う。ストレージ、メモリ、ネットワーク、周辺機器といった物理的なデバイスに加え、OS内部で動作するシステムサービスなども、カーネルが一元的に管理する。

図1　カーネルがプロセスとリソースをどのように結び付けるかを示す図《クリックで拡大》

　これらの役割を実現するために、Windowsカーネルは多岐にわたるコンピューティング処理を担当している。

• OSコンポーネントのロード（読み込み）と管理
  • デバイスドライバ、システムサービス、ファイルシステム、ユーザーのI/O（入出力）処理など、OSの構成要素を読み込み制御する。
• プロセスの管理とマルチスレッド処理の制御
  • アプリケーションの実行単位となるプロセスや、それに属するスレッド（複数の処理）の生成、実行、終了を管理する。
• CPU使用時間（タイムスライス）のスケジューリングと管理
  • 各アプリケーションに対してCPUの利用時間（タイムスライス）を割り当て、OSとの通信を制御しながら、全体の処理を効率的に調整する。
• メモリ管理と割り当て
  • 各プロセスに対して作業メモリを適切に割り当て、競合やアクセス違反が発生した場合にはその解決を図る。
• システムリソースの監視と最適化
  • CPU、キャッシュ、ファイルシステム、ネットワークなどのリソース使用状況を監視し、システム全体で効率的に使用されるよう調整する。
• I/Oデバイスの制御とドライバ管理
  • キーボード、マウス、ストレージ、USB、ネットワークアダプター、ディスプレイ、カメラなど、ユーザーが利用するあらゆるI/Oデバイスを管理する。各デバイスにはWindowsのサブシステムが用意されており、これにはドライバやインタフェース、API（アプリケーションプログラミングインタフェース）、システムサービスを含む。

　カーネルの主な役割は「スケジューリングと管理」だ。つまり、プロセス、リソース、デバイスなど、PC内部で動作するあらゆる要素を統括して調整する。OSのコンポーネント、サービス、アプリケーションを連携させ、それぞれが実行するプロセスやスレッドを効率的に管理する。

　例えば、「Windows 11」のタスクマネジャーのパフォーマンスタブ（図2）では、約700のプロセスと1万1000以上のスレッドが同時に動作している様子が確認できる。こうした複雑な処理の裏側を支えているのがカーネルだ。

図2　モバイルワークステーションにおけるタスクマネジャーの表示例。約700のプロセスと1万1000以上のスレッドが同時に動作している《クリックで拡大》

　コンピュータのCPUは、基本的に一度に1つの処理しか実行できない。この制約を克服するために、カーネルはプロセスやスレッドを細かくスケジュールし、順番に実行させる。各プロセスには短時間のタイムスライスを割り当て、処理が終わらなくても次のプロセスに切り替えることで、あたかも複数の処理が同時に進んでいるかのように見せている。

　このスケジューリング処理は常に繰り返され、古いプロセスが完了してジョブキュー（待機リスト）から消える一方で、新しいプロセスが追加され続ける。この流れを制御しているのが、カーネルなのだ。

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