デマンドページング（Demand Paging）は、オペレーティングシステム（OS）が仮想メモリを管理する際に非常に重要な技術です。
この技術は、必要なページにアクセスする際に、そのページをストレージから物理メモリに読み込むプロセスを指します。
本記事では、デマンドページングの基本的な仕組み、ページフォールトの概念、スワッピングのプロセス、そしてプリページングについて詳しく解説します。
デマンドページングの基本概念
デマンドページングとは？
デマンドページングは、仮想メモリを管理するための方式で、必要なページがストレージに存在する場合、OSがそのページを物理メモリに読み込むことを指します。
これにより、限られた物理メモリの中で効率的にメモリを使用することが可能になります。
仮想メモリは、実際の物理メモリとは異なるアドレス空間を持つため、ストレージの容量をメモリの延長として利用することができます。
ページインとページフォールト
プログラムが実行中にストレージ上に退避されているページにアクセスしようとすると、そのページが物理メモリ上に存在しないため、ページフォールトが発生します。
このハードウェア割り込みは、OSに対して当該ページを物理メモリに読み込むよう指示します。
OSはページフォールトに対応して、必要なデータを物理メモリに読み込み、プログラムの実行を続行します。
スワッピングと性能への影響
スワッピングのプロセス
物理メモリに空き領域がない場合、OSは現在使われていないページをストレージと交換するスワッピングを実施します。
これにより、必要なページを物理メモリに確保し、プログラムの実行が続けられます。
しかし、スワッピング処理には時間がかかるため、システムのパフォーマンスが低下する可能性があります。
性能の低下と対策
デマンドページングは、実際に必要な領域のみが物理メモリに展開されるため、リソースの無駄が少ないという利点がありますが、ストレージへのアクセスが頻繁に発生すると、パフォーマンスが著しく低下します。
このため、OSはアクセス履歴や頻度を基に、次にアクセスされる可能性のあるページを予測して物理メモリにあらかじめ展開するプリページングという手法を用いることがあります。
プリページングによる効率化
プリページングのメリット
プリページングは、OSがアクセス履歴を分析して、近い将来アクセスされる可能性のあるページを事前に物理メモリに読み込む技術です。
これにより、ページフォールトの発生を減少させ、プログラムの実行速度を向上させることができます。
実際の応用
例えば、ゲームや高性能アプリケーションでは、ユーザーの行動パターンを予測し、必要なデータを事前に読み込むことで、スムーズな動作を実現します。
これにより、ユーザーは待ち時間を感じることなく、快適にアプリケーションを利用することができます。
まとめ
デマンドページングは、仮想メモリ管理の効率化に不可欠な技術であり、OSが物理メモリを最大限に活用するための重要な手段です。
ページフォールトやスワッピングの概念を理解し、プリページングによる性能向上のメリットを活かすことで、システム全体の効率を向上させることが可能です。
この技術は、現代の計算環境において、特に重要な役割を果たしています。