ページングとは？仮想メモリの仕組み・実装・性能最適化と運用ポイントを徹底解説

ページングとは — 仮想メモリの基礎から実装・運用まで（解説）

「ページング」は、現代のOSとCPUが採用するメモリ管理技術の中核です。物理メモリの有限性を補い、プロセスごとに独立した「仮想アドレス空間」を実現するために用いられます。この記事では、ページングの概念、仕組み、主要な実装技術、性能・セキュリティ上の注意点、実運用での留意点までをわかりやすくかつ技術的に深掘りして解説します。

1. ページングの概念と目的

ページングはメモリ空間を固定長のブロック（ページ）に分割し、仮想アドレスをページ単位で物理フレームにマッピングします。主な目的は以下の通りです。

• 仮想メモリ：各プロセスに独立した連続したアドレス空間（仮想アドレス空間）を提供し、プログラムの実行を単純化する。
• メモリ保護：ページ単位で読み書き/実行の権限を設定できるため、プロセス間の分離を実現する。
• 効率的な物理メモリ利用：必要なページだけをメモリにロードする「需要ページング（demand paging）」や、ページ置換でメモリを再利用する。
• 共有：同じ物理ページを複数プロセスの仮想ページにマップすることで、コードやライブラリを共有できる。

2. 仮想アドレスから物理アドレスへの変換

CPUはメモリアクセス時に仮想アドレスを発行し、MMU（メモリ管理ユニット）がページテーブルを参照して対応する物理アドレスに変換します。一般的な流れは以下：

• 仮想アドレスは「ページ番号（VPN）」と「ページ内オフセット」に分割される。
• ページ番号をキーにページテーブルを参照し、ページテーブルエントリ（PTE）から物理フレーム番号（PFN）と属性ビット（読み/書き/実行、存在ビットなど）を得る。
• PFNとオフセットを結合して最終的な物理アドレスが決まる。

ページテーブルはサイズが大きくなりがちで、特に64ビット空間では階層化（マルチレベルページテーブル）でメモリ消費を抑えます。x86-64では通常4レベル（PML4 → PDPT → PD → PT）が使われ、最近は5レベル（LA57）をサポートするCPUもあります。

3. TLB（Translation Lookaside Buffer）と性能

ページテーブルへ毎回アクセスすると遅いので、TLBと呼ばれる高速キャッシュが仮想→物理の変換結果を保存します。TLBヒット時は一発で変換できるため大幅に高速化されます。TLBミスが発生すると、ハードウェア/ソフトウェアでページテーブル参照や例外処理（ページフォルト）を行います。

• TLBのフラッシュ（TLB shootdown）は、プロセス間やCPU間でページテーブルを変更したときに必要で、マルチプロセッサ環境ではオーバーヘッドになる。
• 大きなページ（Huge/Transparent Huge Pages）を使うとTLBエントリあたりのカバー範囲が増え、TLB圧力が低下して性能向上が期待できるが、内部の断片化や管理コストも増える。

4. ページフォルトとスワッピング

アクセスした仮想ページが物理メモリにマッピングされていない場合、CPUはページフォルト（page fault）を発生させます。OSのハンドラが次のいずれかを行います：

• ページがディスク上（スワップ領域やメモリマップドファイル）にあれば、それを読み込んでメモリに復元する（このときディスクI/Oが発生する＝高コスト）。
• 要求されているのが未初期化の読み取り可能なページ（例えばプロセスのBSS領域）であればゼロページを割り当てる（minor fault と呼ばれることがある）。
• アクセス権に反する場合は保護違反（segmentation fault）を返す。

物理メモリが不足すれば、OSはページ置換アルゴリズムに基づいて「使われていない」ページを選択し、必要ならディスクへスワップアウトして領域を確保します（スワッピング）。これはスラッシング（頻繁なページフォルト・ディスクI/O）を引き起こすとシステム全体の性能を著しく低下させます。

5. ページ置換アルゴリズム（代表例）

理論上最良は最遠将来参照しないページを追い出すアルゴリズム（最適アルゴリズム）ですが現実には未来を知れないため近似手法が使われます：

• LRU（最長未使用）: 理想的だが完全な実装はコストが高い。実際はハードウェアの参照ビットを利用した近似が多い。
• FIFO（先入れ先出し）: 実装は簡単だが性能面で劣ることが多い。
• Clock（Second chance）: 参照ビットを使った実装効率の良い近似LRU。Linuxのページ管理はLRU派生の複雑なアルゴリズムを採用している（active/inactiveリストなど）。
• Working set ベース: 各ページの最近のアクセス履歴からワーキングセットを推定して置換する手法。

6. コピーオンライト（COW）とメモリ共有

fork()の効率化などで多用される技術がコピーオンライトです。forkした親子プロセスは同じ物理ページを読み専用で共有しますが、どちらかが書き込みを行うとOSがそのページをコピーして独立した物理ページを割り当てます。これによりメモリ消費と初期コストを削減できます。

また、ライブラリやバイナリをメモリマップ（mmap）して共有することで、ページ単位で複数プロセスが同じコードを使えます。メモリマップドファイルはファイルシステムキャッシュと密接に連携します。

7. ページテーブルの実装バリエーション

• マルチレベルページテーブル：多数のエントリを階層化して利用していない部分の物理メモリ消費を抑える（x86-64の4/5レベルなど）。
• 反転ページテーブル（Inverted Page Table）：物理フレームごとにエントリを持ち、仮想→物理の逆引きを行う。大きな仮想空間でのメモリ使用量を抑える目的で提案されているが、実装の複雑さやハッシュの必要性がある。
• ページサイズの階層（大ページ/小ページ）：多数の実装がページサイズを複数サポートし、用途に応じて選ぶ。例：x86-64では通常4KiB、Hugeは2MiB/1GiBなど。

8. CPU/アーキテクチャごとの特徴（概略）

• x86-32: 伝統的なページング、PAEにより物理アドレス拡張（36bit）をサポート。
• x86-64: 4レベルページテーブル（通常）、オプションで5レベル。NXビット（execute disable）による実行保護をサポート。
• ARM: 世代ごとにページングモデルが進化。ARMv7/ARMv8ではMMUの実装やページサイズが異なる。ARM64では64ビットアドレス空間と複数ページサイズをサポート。

9. セキュリティと脆弱性

ページングはセキュリティ機構（分離、実行禁止、ASLRなど）の基盤です。一方で、ハードウェアの副作用や実装の不備に起因する攻撃（例：Rowhammer、サイドチャネル、TLB/キャッシュを使った情報漏洩）が存在します。適切なページ保護（NX、ユーザ/カーネル分離）やASLR、メモリの初期化方針が重要です。

10. 実運用・チューニングの観点

• HugePagesの活用はTLB効率を改善するが、断片化や割り当て失敗に注意。大規模データベースや仮想化環境で有効。
• スワップ設定：スワップを完全に無効にするとアウトオブメモリ（OOM）を招く可能性があるが、スワップが多すぎるとディスクI/Oで性能低下する。スワップネス（swappiness）パラメータで振る舞いを調整可能。
• NUMA環境ではメモリがソケット間で物理的に離れているため、ページ配置が性能に直結する。NUMAバランシングやメモリ割り当てポリシーを検討する。
• 仮想化: ハイパーバイザもゲストのページングを仲介する必要があり、二重の翻訳（EPT、NPT等ハードウェア支援）や仮想TLB管理が重要。

11. まとめ

ページングは仮想メモリを支える基本技術であり、性能、セキュリティ、実運用上のトレードオフが密接に絡む分野です。OSとハードウェアの協調（MMU、TLB、ページテーブル設計、ページ置換アルゴリズム）が鍵で、用途に応じたページサイズ選択やスワップ運用、NUMA対策などが実システムの性能を大きく左右します。基本原理を押さえつつ、実際のアーキテクチャやOS実装の詳細（Linux、Windows、BSDなど）に基づく挙動を理解することが重要です。

参考文献

• Paging (memory management) — Wikipedia
• Virtual memory — Wikipedia
• Translation lookaside buffer — Wikipedia
• Page replacement algorithm — Wikipedia
• Linux kernel documentation: Memory Management
• Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals — Intel
• Modern Operating Systems, Andrew S. Tanenbaum（書籍）
• Ulrich Drepper: What every programmer should know about memory (記事・PDF)