「仮想記憶の仕組み」とは？　新人エンジニア向けに解説

2024年12月3日 最終更新日時 : 2024年12月3日 山崎講師山崎講師

こんにちは。ゆうせいです。
今日は、新人エンジニアの皆さんに「仮想記憶（Virtual Memory）の仕組み」をお話しします。
仮想記憶は、コンピュータが効率的にメモリを管理するための仕組みです。プログラムが使えるメモリ量を拡張し、複数のアプリケーションをスムーズに動かすために欠かせません。

この概念を理解すると、メモリ管理やOSの仕組みが見えてきます。それでは、仮想記憶の基本から具体的な動作まで、丁寧に解説していきます！

仮想記憶とは？

仮想記憶とは、コンピュータが持つ実際の物理メモリ（RAM）よりも大きなメモリ空間をプログラムに提供する仕組みです。物理メモリが足りない場合は、ハードディスクやSSDの一部を仮想メモリとして利用します。

主な特徴

  1. メモリ空間の拡張
    実際のRAMよりも大きなメモリを使えるように見せかけます。
  2. メモリの分離
    各プログラムが独立したメモリ空間を持つため、他のプログラムと干渉しません。
  3. 効率的なメモリ利用
    実際に使用されていないメモリ部分をディスクに移すことで、RAMの効率を最大化します。

仮想記憶の基本構造

仮想記憶は、次の3つの主要な要素で構成されています。

1. 仮想アドレス空間

プログラムが利用するメモリ空間です。仮想アドレス空間は、物理メモリの容量に関係なく、プログラムごとに独立しています。

2. 物理メモリ

実際のRAMのことです。仮想メモリを実行するための基盤となります。

3. スワップ領域

物理メモリが足りない場合に、一部のデータをディスクに保存する領域です。Windowsでは「ページファイル」、Linuxでは「スワップ領域」と呼ばれます。

仮想記憶の動作原理

仮想記憶は、次のようなステップで動作します。

1. アドレス変換

プログラムが使用する「仮想アドレス」を、物理メモリ上の「物理アドレス」に変換します。この処理を「アドレス変換」と呼びます。

MMU（メモリ管理ユニット）

CPU内にあるMMU（Memory Management Unit）が、仮想アドレスを物理アドレスに変換します。このプロセスは非常に高速です。

2. ページング

仮想記憶は、「ページ」という単位でメモリを管理します。

  • ページ: 仮想メモリの最小単位（例: 4KB）。
  • フレーム: 物理メモリの最小単位。

仮想メモリの各ページは、対応する物理メモリのフレームにマッピングされます。このマッピング情報を「ページテーブル」と呼びます。

ページングの流れ

  1. プログラムがデータを要求。
  2. 仮想アドレスがMMUを通じて物理アドレスに変換。
  3. 対応するページが物理メモリ上にあれば処理を続行。

3. ページフォールト

物理メモリ上に対応するページが存在しない場合、「ページフォールト」というイベントが発生します。この場合、以下の手順で処理が行われます。

  1. 必要なページをディスクから物理メモリにロード。
  2. ページテーブルを更新。
  3. 再び処理を実行。

ページフォールトは処理に時間がかかるため、頻発するとパフォーマンスが低下します。

仮想記憶の利点

仮想記憶を使うことで、以下のようなメリットがあります。

1. メモリ不足の解消

仮想記憶を利用することで、物理メモリの制約を超えて大きなプログラムを実行できます。

2. 安全性の向上

各プログラムが独立した仮想アドレス空間を持つため、他のプログラムへの干渉を防ぎます。

3. メモリの効率的利用

使用頻度の低いデータをスワップ領域に移すことで、物理メモリを効率的に利用できます。

仮想記憶の課題

一方で、仮想記憶にはいくつかのデメリットもあります。

1. スワッピングによる遅延

物理メモリが不足すると、ディスクアクセスが増加し、処理速度が低下します（スラッシング）。

2. 設定の最適化が必要

スワップ領域やページサイズの設定が適切でない場合、パフォーマンスに悪影響を及ぼします。

仮想記憶の可視化

以下の図で、仮想記憶の仕組みを簡単にイメージしてみましょう。

仮想アドレス空間
----------------------------
| プログラムAのページ1     |
| プログラムAのページ2     |
| プログラムBのページ1     |
----------------------------

物理メモリ
----------------------------
| ページフレーム1         |
| ページフレーム2         |
| ページフレーム3         |
----------------------------

スワップ領域
----------------------------
| ディスクページ1         |
| ディスクページ2         |
----------------------------

仮想アドレス空間の各ページは、物理メモリやスワップ領域にマッピングされています。

実際に試してみよう！

仮想記憶の仕組みを学んだら、以下のような操作を試してみると理解が深まります。

  1. メモリ使用量の監視 タスクマネージャーやLinuxのtopコマンドを使い、仮想メモリと物理メモリの使用量を観察しましょう。
  2. ページフォールトの測定 メモリを大量に使用するプログラムを実行し、ページフォールトの発生状況を確認してみましょう。
  3. スワップ領域の設定変更 Linuxでスワップ領域を追加・削除して、パフォーマンスの変化を体感してみてください。

まとめと次のステップ

仮想記憶は、物理メモリを効率的に使いながら、プログラムが快適に動作する環境を提供する重要な仕組みです。次の学習ステップとして、以下のトピックを学んでみるとさらに理解が深まります。

  • ページ置換アルゴリズム（LRU、FIFOなど）
  • 仮想メモリとストレージの関係
  • OSのメモリ管理の詳細

仮想記憶を深く理解すると、効率的なプログラム設計やトラブルシューティングに役立ちます。次回も新しいテーマでお会いしましょう！

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投稿者プロフィール

山崎講師
山崎講師代表取締役
セイ・コンサルティング・グループ株式会社代表取締役。
岐阜県出身。
2000年創業、2004年会社設立。
IT企業向け人材育成研修歴業界歴20年以上。
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