仮想記憶とページ置換え

結論：仮想記憶は「必要な分だけ主記憶に置く」仕組み

仮想記憶は、プログラムに広いアドレス空間（番地の範囲）があるように見せる仕組みです。実際に主記憶（メモリ）に置くのは、いま必要な部分だけです。残りは補助記憶（SSD・HDD）に置いておき、必要になったら主記憶へ運びます。

たとえるなら、**机（主記憶）と本棚（補助記憶）**です。机が狭くても、使う資料だけ机に出し、使わない資料を本棚に戻せば、大量の資料を扱えます。

大事なのは、仮想記憶は主記憶を効率よく使うための仕組みで、速くする仕組みではないことです。本棚まで取りに行く分だけ、かえって遅くなります。

ページング方式：固定長で区切る

ページング方式は、仮想アドレス空間と実記憶（主記憶）を、それぞれ同じ固定長の区画に分けて対応づける方式です。仮想側の区画をページ、実記憶側の区画をページフレームと呼びます。

この方式の効果は、処理に必要なページを動的に（実行中その場で）主記憶へ割り当てるので、主記憶を効率的に使えることです。前のレッスンの断片化（すき間が散らばる問題）も、固定長で区切るので起きにくくなります。

セグメント方式は、ページングとは逆に、意味のまとまりごとに可変長で管理する方式です。試験では「固定長＝ページ」「可変長＝セグメント」が見分けられれば解けます。

仮想アドレスの内訳：ページ番号＋ページ内変位

仮想アドレスは「何番目のページか（仮想ページ番号）」と「そのページの先頭から何バイト目か（ページ内変位）」の2つに分かれます。マンションの「部屋番号」と「部屋の中の位置」のような関係です。

• ページ内変位のビット数 ＝ ページサイズを 2 の何乗で表すか
• 仮想ページ番号のビット数 ＝ 仮想アドレス全体のビット数 − ページ内変位のビット数

計算の手順は下の例題で確認します。

ページフォールトと、そのあとの処理順序

ページフォールトは、アクセスしたページが主記憶に無いときに起きる割込み（CPU に処理を中断させる合図）です。したがって、主記憶に無いページへのアクセスが増えるほど、ページフォールトも増えます。

主記憶に空きが無いときは、次の順番で処理します。

flowchart LR
  A["① ページフォールト発生"] --> B["② 置換え対象ページを決定"]
  B --> C["③ ページアウト（追い出す）"]
  C --> D["④ ページイン（読み込む）"]

• ページアウト：主記憶のページを補助記憶へ書き出して、場所を空けること
• ページイン：必要なページを補助記憶から主記憶へ読み込むこと

「まず気づく（フォールト）→ 誰をどかすか決める → どかす → 入れる」の順です。席が満席の店で、新しい客が来た（フォールト）→ 帰ってもらう客を決める → 帰ってもらう → 案内する、と同じ流れです。

ページ置換えアルゴリズム：誰を追い出すか

空きが無いときにどのページを追い出すかを決めるルールが、ページ置換えアルゴリズムです。試験の主役は LRU で、FIFO・LFU との区別がよく問われます。

FIFO と LRU の違いは「入った後に使われたかどうかを見るか」です。FIFO は、入ってから何度使われていても、入った順に追い出します。LRU は、使われるたびに「最近使った」扱いに戻ります。

トレースのコツは、**FIFO は「入った順の列」、LRU は「最後に使った順の列」**を書いて追うことです。LRU では、ヒット（主記憶にあった）したページを列の最後尾へ移します。

注意点として、LRU のほうが常に置換え回数が少ないとは限りません。アクセス順によっては、FIFO のほうが少なくなります（例題3）。

スラッシング：入れ替えばかりで仕事が進まない

スラッシングは、仮想記憶方式で多重度（同時に動かすプログラムの数）を上げすぎた結果、主記憶が足りなくなり、ページイン・ページアウトが多発して処理がほとんど進まなくなる現象です。CPU は入れ替えの処理（オーバヘッド＝本来の仕事以外の負荷）に追われ、アプリが CPU を使える割合が下がり、応答が急に遅くなります。

たとえるなら、狭い机で同時に5つの仕事をしようとして、資料の出し入ればかりしている状態です。

発生の条件は**「仮想記憶方式」×「多重度が大きい」**です。実記憶方式（仮想記憶を使わない方式）にはページングがないので、スラッシングは起きません。