スワップアウトとは｜仕組み・スラッシング対策・Linuxチューニング完全ガイド

スワップアウトとは — 概要

スワップアウト（swap out）は、主に仮想メモリ管理における動作の一つで、メインメモリ（RAM）上にあるメモリページの内容を二次記憶（一般には「スワップ領域」＝スワップファイルやスワップパーティション）へ書き出し、RAM上の領域を解放する処理を指します。一般にはページ単位で行われ、逆の動作（スワップインまたはページイン）でディスクから読み戻されます。

スワップアウトが必要になる背景

実行中のプロセス群のメモリ需要が物理RAMの供給を超えると、OSは新たなメモリ割り当てのためにRAMを確保する必要に迫られます。使用頻度の低いページや変更が少ない（あるいはすでにディスクにコピー済みの）ページを選んでスワップアウトし、メモリの空きを作ります。これにより、プロセスのクラッシュを防ぎ、仮想メモリ空間全体の利用を可能にします。

スワップとページングの違い

• スワップ（歴史的用語）：初期のUNIXなどではプロセス全体をディスクへ退避（suspend）してメモリを空ける「スワップ」が使われていました。
• ページング：現代のOSはページ（通常4KBなど）単位で入出力を行い、必要最小限の単位でメモリ管理をします。これが一般に「ページアウト／ページイン」と呼ばれ、日常的には「スワップアウト」と同義に使われることが多いです。

スワップアウトの仕組み（技術的観点）

典型的なスワップアウトの流れは次のとおりです。

• メモリ圧力の検出：OSは空きメモリやページの参照頻度を監視します。
• 候補ページの選定：ページ置換アルゴリズム（LRUやClockの近似など）でスワップ対象を決定します。
• ダーティ判定：そのページが書き換えられている（dirty）かどうかを確認。cleanなら既にディスクに同一内容が存在する場合があり、書き出す必要がないこともあります。
• 書き出し：選ばれたページをスワップ領域へ書き込み（I/O）、完了後にその物理フレームを解放します。
• 後続アクセス：スワップアウトしたページへアクセスが起きるとページフォルトが生じ、スワップインしてメモリに戻します。

ページ置換アルゴリズム

性能に直結する重要な要素です。主な方式は以下。

• LRU（最終参照が最も古いものを置換）— 理想だが完全なLRUは高コスト。
• Clockアルゴリズム（参照ビットを用いる近似LRU）— 実装コストと効果のバランスが良く、採用例が多い。
• NRU、FIFOなど — 特殊用途や歴史的実装。

スワップの種類と配置

• スワップパーティション：専用のディスク領域。パフォーマンスや管理面で安定。
• スワップファイル：ファイルシステム上のファイルをスワップ領域として使う方式。柔軟性が高い（サイズ変更が容易）
• 圧縮スワップ（zswap, zramなど）：RAM内で圧縮して一時的に保持、実ディスクI/Oを減らす工夫。

スワップによる性能影響と注意点

スワップはメモリ不足時の回避策ですが、ディスクI/OはRAMに比べて圧倒的に遅いため、頻繁なスワップ（スラッシング）はシステム全体の応答性を著しく低下させます。特に小さなI/O遅延が積み重なるとレイテンシが増大します。

近年のSSDはランダムアクセス性能が向上したため、従来よりは「スワップの痛み」が軽減されていますが、フラッシュの書き込み寿命や、依然としてRAMより遅いという点は変わりません。

Linuxにおけるチューニング

• vm.swappiness：スワップアウトの積極度を決めるカーネルパラメータ（0〜100）。0に近いほどスワップを避け、100に近いほど積極的にスワップする。デフォルトは多くのディストリで60。調整によりパフォーマンスが改善するケースがある。
• zswap/zram：スワップ圧縮やRAM上の圧縮スワップでI/Oを減らす。メモリが一時的に逼迫するがディスクI/O負荷を下げられる。
• オーバーコミット設定やOOM-killerの挙動も合わせて確認・調整。

運用上の実務的ポイント

• 監視：free -h、swapon --show、cat /proc/swaps、vmstat、top/htopなどでスワップ使用量やページフォルト率を監視。
• スワップサイズの決め方：用途による。デスクトップでは小さめ＋スワップファイルで柔軟に。サーバーでスリープ／ハイバネーションを使う場合はRAM容量以上のスワップが必要なことがある（ハイバネーションはメモリ内容をスワップへ保存する実装が多いため）。
• セキュリティ：スワップ領域には機密データが含まれる可能性があるため、暗号化（LinuxならLUKSや暗号化スワップの設定）を検討する。

トラブルシューティング：スラッシングとその対策

頻繁なページイン／アウトでCPUとI/Oが占有される状態をスラッシングと呼びます。原因と対策は次の通り。

• 原因：物理メモリ不足、メモリリーク、過剰な同時負荷。
• 対策：メモリ増設、プロセスの調整（不要プロセス停止）、vm.swappiness調整、zswap/zram導入、ワークロードの分散。

OS別の実装差（概要）

• Linux：ページングベース。swappinessやzswap/zram等の機能がある。swaponで管理。
• Windows：pagefile.sysを用いる。仮想メモリ（Virtual Memory）設定でサイズや自動管理を指定可能。
• macOS：動的にスワップファイルを生成する仕組み（dynamic_pager）を持つ。

まとめ

スワップアウトは仮想メモリの重要な機能で、メモリ不足時にシステムを安定させる役割を果たします。しかしディスクI/Oを伴うため、過度のスワップは性能悪化（スラッシング）を招きます。現代の運用では、適切な監視、スワップのサイズと配置の方針、vm.swappinessなどのチューニング、必要に応じた圧縮スワップや暗号化の導入が求められます。用途とハードウェア特性（HDD/SSD、RAIDなど）を踏まえた上で設計・運用することが重要です。

参考文献

• Swapping (computer science) — Wikipedia
• Linux kernel documentation — Swap
• vm.swappiness — kernel sysctl documentation
• ArchWiki — Swap
• ArchWiki — Zswap
• Microsoft Docs — Defining virtual memory