ページングとスワップ

ページングとは

ページングは、メモリを ページ と呼ぶ 固定長のブロック（典型的には 4KB）に区切って管理する方式です。仮想アドレス空間の各ページを、物理メモリ側の同じ大きさの枠 ページフレーム に対応づけます。

「どの仮想ページがどの物理フレームに置かれているか」の対応表が ページテーブル です。アドレスの変換はこう進みます。

仮想アドレス = [ ページ番号 | ページ内オフセット ]
                    │
                    ▼  ページテーブルを引く（MMU が実行）
              物理フレーム番号
                    │
                    ▼
物理アドレス = [ フレーム番号 | ページ内オフセット ]

オフセット（ページ内の位置）はそのまま使い、上位のページ番号だけを変換 します。固定長で扱うため、空き領域を柔軟に割り当てやすいのが利点です。

なぜページ単位なのか

メモリをプロセスの要求する大きさのまま連続で割り当てると、確保と解放を繰り返すうちに すき間（断片化） が増え、合計は足りても連続した空きが取れなくなります。

ページングは 固定長の枠 に切り分けることで、これを避けます。

• 物理メモリのどの空きフレームにも置ける（連続している必要がない）
• プロセスが見るアドレスは連続でも、物理配置は バラバラでよい
• 使う部分だけ物理に置けばよい

ページ番号からフレーム番号への変換は、メモリアクセスのたびに発生するため、CPU 内蔵の MMU がハードウェアで行い、最近の変換結果を TLB という小さなキャッシュに保持して高速化します。

ページフォルト：物理に無いページへ触ったとき

すべてのページを最初から物理メモリに載せておく必要はありません。プロセスが 物理メモリ上に存在しないページ に触ると、MMU は ページフォルト という例外を発生させ、処理を OS に委ねます。

1. プロセスがページ X にアクセス
2. ページテーブルに「物理に無い」印 → ページフォルト発生
3. OS が割り込んで、空きフレームを確保
   （空きが無ければ既存ページを1つ追い出す＝ページ置換）
4. 必要ならディスクからページ X を読み込む
5. ページテーブルを更新し、止めた命令を再実行 → 何事もなく続行

追い出すページの選び方を ページ置換アルゴリズム と呼び、最近最も使われていないものを優先する LRU などが基本です。

スワップ：物理が足りないとき

物理メモリに載り切らないページは、OS が ディスク上の領域（スワップ領域 / ページファイル） に退避します。これが スワップ です。当面使われないページをディスクへ逃がして物理メモリを空け、必要になったら読み戻します。

これにより「物理メモリより大きく使えているように見せる」ことができますが、ディスクは主記憶より桁違いに遅いため、スワップが頻発すると一気に重くなります。

観点	ページフォルト	スワップ
何を指すか	物理に無いページへの参照例外	ページをディスクへ退避する操作
必ず遅いか	速い場合もある（メモリ上で完結）	ディスク I/O を伴い遅い
発生契機	未割り当て・退避済みページの参照	物理メモリの不足

まとめ

• ページングは 仮想ページを物理フレームに対応づける 方式で、断片化を避けつつ柔軟に割り当てられる。
• 物理に無いページへ触ると ページフォルト が起き、OS が読み込む。
• 物理が足りなければ スワップ でディスクへ退避し、物理より大きく見せる（ただし遅い）。

アドレス変換の全体像は 仮想記憶（ページング）、確保・解放の方針は メモリ管理 も合わせてどうぞ。