ページングとセグメンテーションを図解｜外部断片化・内部断片化・仮想記憶

1. 本棚の空きスペースから考える

高さが異なる本を「同じ本のまとまり」で収納すると、間に少しずつ隙間ができます。棚全体の空きが十分でも、厚い本をまとめて入れる幅が残らないことがあります。これが外部断片化を理解する入口です。

一方、すべての本を同じ大きさの箱に入れれば、箱を棚のどこに置いても構いません。「6箱必要」なら、連続した場所ではなく空いている6か所へ分けて置けます。この発想がページングです。ただし箱の中に少し空きができる欠点もあります。

2. なぜOSがメモリを区切るのか

プログラムには命令、データ、スタックなどさまざまな情報があります。実際のRAMは有限で、複数のプロセスが共有します。どのプログラムがどの場所を使うか管理し、ほかのプログラムの領域を勝手に触らせない仕組みが必要です。

そこで各プロセスには仮想アドレス空間を見せ、OSとハードウェアが実際の物理メモリの場所へ対応付けます。論理的なアドレスと物理的な位置を分離すると、プログラムはRAM上の配置を意識せず実行できます。

3. セグメンテーション：意味に沿って分ける

セグメンテーション（Segmentation、セグメンテーション）は、コード・データ・スタックなど論理的な意味を持つ可変長の領域に分ける方式です。古典的な単純セグメンテーションでは、各セグメントの開始位置（base）と長さ（limit）を管理します。

たとえばコードは「読み取り・実行可、書き込み不可」、データは「読み書き可」のように、意味に合わせた保護と共有を考えやすくなります。反面、可変長のセグメントを物理メモリに連続配置する設計では、空き領域が細切れになり得ます。

4. ページング：意味と無関係に固定長で分ける

ページング（Paging、ページング）は、仮想アドレス空間を固定長のページ（page）に分け、物理RAM側も同じ大きさのページ枠（page frame、フレーム）に分ける方式です。ページがRAMのどの枠に置かれるかは、ページテーブルで対応付けます。

同じサイズの枠であれば、データの一部分を物理メモリ上のどこに置いてもよいため、通常の固定長ページングでは外部断片化は発生しません。これが今回の中心となる長所です。

5. 外部断片化はなぜ起きるのか

連続領域しか使えない方式を考えます。メモリにA・B・Cが配置され、Bが終了すると、その場所だけ穴が開きます。別のプログラムが開始・終了を繰り返すと、空き容量が点在します。

例えば「空き3マス」と「空き5マス」が別々にあっても、必要なのが連続6マスなら割り当てられません。この状況では合計8マス空いている事実は助けになりません。外部断片化の改善には、領域を移動して空きをまとめるコンパクション（compaction、圧縮・詰め直し）などが考えられますが、移動コストや参照更新の負担があります。

6. 固定長でも内部断片化は残る

ページサイズが4KiBで、プログラムのあるデータが9KiB必要なら、ページは3個必要で合計12KiBを確保します。最後のページの3KiBは未使用になります。これが内部断片化です。

7. アドレス変換はどう動く？

CPUが仮想アドレスを出すと、MMU（Memory Management Unit、メモリ・マネジメント・ユニット：メモリ管理ユニット）がページ番号とページ内の位置に分けます。ページテーブルを使ってページ番号を物理ページ枠番号へ変換し、ページ内の位置はそのまま使います。

実際にはTLB（Translation Lookaside Buffer、トランスレーション・ルックアサイド・バッファ）というアドレス変換のキャッシュを利用して、毎回ページテーブルを辿る負荷を減らします。ページがRAMにない場合はページフォールトが起こり、必要に応じてページを読み込みます。

8. 方式を比較する

9. ラボ：実際に配置してみる

メモリ容量とページサイズ、配置するデータの大きさを変えてください。可変長では連続した領域が必要で、固定長ではページ単位に分割できる違いが分かります。厳密な「穴」の発生は上の図に示し、ラボは再配置した際の各方式の配置効率を扱います。

10. メモリ共有とアクセス保護

セグメンテーションはコード領域・データ領域のような意味のある境界を表現しやすいのが特徴です。しかし現代のページングでも、ページテーブルの権限ビットを使って読み取り・書き込み・実行の制限を与えられます。また、異なるプロセスの仮想ページを同じ物理ページ枠へ対応付けることで、共有ライブラリや共有メモリを実現できます。

したがって「論理的な保護や共有に向く」という伝統的なセグメンテーションの特徴と、「ページングでは不可能」という断定は区別する必要があります。

11. 領域の拡張はページングでも可能

動的にメモリを増やすプログラムは珍しくありません。ページングでは1ページのサイズは固定でも、ページテーブルに新しいページを追加すれば利用可能な領域全体のサイズは増やせます。セグメンテーションの可変長という特徴は、区画のサイズ自体が論理単位で異なる、という意味です。

12. 関連技術：ページフォールトとスラッシング

固定長ページで外部断片化を避けられても、RAMが不足すれば問題は残ります。必要なページがRAMになければページフォールトが起こり、ディスクなどから読み込みます。入替えが多発して処理能力が落ちる現象をスラッシング（Thrashing、スラッシング）と呼びます。

ページングの長所は「断片化をなくしてどんな状況でも速くすること」ではなく、「離れた固定長の物理ページ枠を柔軟に利用できること」です。

13. ほかの方式と共存することもある

アーキテクチャによっては、セグメントによる論理的な区分とページングを組み合わせるページ化セグメンテーションがあります。現代の汎用OSでも、プロセスのアドレス空間をコード・ヒープ・スタックといった論理的領域として管理しながら、最終的な物理メモリ配置にはページングを利用することがあります。名前だけで「完全に二者択一」と思わないことが重要です。

14. 設問で原理を確認する

今回の設問は「仮想記憶方式において、セグメンテーション方式と比較した場合のページング方式の長所」です。選択肢の重要部分と原理を対応させてみましょう。

15. 知識を定着させる3つの問い

1. 空きが3KiBと5KiBに分かれたメモリに、連続6KiBのセグメントを配置できますか。
2. 4KiBページを使って9KiBを割り当てた場合、最後のページの余りは何KiBですか。
3. ページングでは外部断片化を避けられるのに、なぜスラッシングは発生し得るのでしょうか。

答えは順に「置けない」「3KiB」「空き枠の管理方式と、必要なページがRAMに収まるかどうかは別問題だから」です。