記 憶 管 理（２）

オペレーティングシステム第９回

復　習 実際のメモリよりも，大きなプログラムを実

行したい 実行に伴い，その時，その時で必要な部分だ

けがメモリにあれば良い オーバレイ

どこが必要なのかの指示をプログラマが行う

仮想記憶 必要になった部分を OS がメモリに格納す

る

仮 想 記 憶（１３）　前回 プログラムの実行に伴いある番地を参照 その番地のページ番号 ページ番号をページ表で調べる 該当ページが実記憶にない

ページフォールトという割込み 該当ページの実記憶への読み込みと

ページ表更新

仮 想 記 憶（１４）　前回 空いているページ枠がない

使用中のページ枠を空けて，そこに読み込む

空けるページ枠の決め方 ページ置換えアルゴリズム 次回 ← 今回

ペー ジ置換え（１） デマンドページング（要求時ページング）

ページが必要になったときに，補助記憶装置から実記憶に読み込む ページイン

しかし，読み込む場所（空きページ枠）がない場合は ?!

ページ置換え（２） 空きページ枠がない 適当なページ枠を選ぶ

しかし，ページが読み込まれている その内容を必要に応じて，補助記憶装置に書

き出す ページアウト

空けたページ枠に，読み込む ,

ページ置換え（３） ページアウトするページの選択

ページ置換えアルゴリズム これから使いそうにないページ 今後，使わないページ ページアウト直後に再度ページインす

ることになるようなページは選びたくない

将来の予測 困難

ページ置換え（４） FIFO アルゴリズム (First In First Out)

もっとも以前に実記憶に読み込まれたページを選ぶ

実記憶に長く存在するページは，今後はもう使わないであろう

ページ置換え（５） LRU アルゴリズム (Least Recently Used)

もっとも以前に使われたページを選ぶ

頻繁に使われるページは，今後も使われるであろう（“局所参照”という性質）

使われなくなって時間が経過したページは，今後は使われないであろう

ページ置換え（６） 他にもいろいろある

実際は，もっと複雑

ページ置換えの例（１） 4 ページ分（ 0 ～ 3 ）の大きさのプログラム

実記憶のページ枠は 3

次の順で各ページが必要になるものとする 0 → 1 → 2 → 0 → 3 → 0 → 2 → 1 → 2

ページ置換えの例（２） FIFO

ページ 0 がページアウト

直前にページアウトしたページをページイン

下のものほど，長く実記憶にある

ページ枠ではない

ページアウト（ページ交換）

ページ置換えの例（３） LRU

下のものほど，参照されてから

時間が経過している

実記憶にあるページ

参照されてから，最も時間が経過しているページが

ページアウト

ページアウト（ページ交換）

LRU と FIFO （１） LRU の方が，ページ置換えの回数が少ない

ような例を示しているだけ，かも知れない

FIFO だと，ページ枠の数を増やしても，ページ交換の回数が増える場合がある LRU だと，そのようなことはない

LRU と FIFO （２） LRU の背景 メモリ参照の局所性

プログラムは，いつもプログラム全体を参照するわけではない

一部だけを参照する その一部が実行に伴い移動する

プログラム全体（命令とデータ）この部分だけを参照する

この部分だけを参照する

この部分だけを参照する

この部分だけを参照する

この部分だけを参照する

このようにプログラムを作ると効率的に実行されることになる

ス ラ ッ シ ン グ（１） 多重プログラミング環境

多重度（並行実行するプロセスの数）を上げる

各プロセスへのページ枠が減る

ス ラ ッ シ ン グ（２） ページ交換の回数が増える

さらに多重度を上げる

CPU は，もっぱらページ交換のために使われる プロセスの実行が進まない

ス ワ ッ ピ ン グ（補足） プログラム A が実行中 プログラム B を実行しようとする 主記憶を空けるために， A が格納されてい

る主記憶の内容を必要に応じて，補助記憶装置に書き出す スワップアウト

空いたところに， B を読み込む スワップイン

問　題 ページアウト，スワップアウト

必要に応じて，補助記憶装置に書き出す

つまり，“書き出さない”場合がある 単にページインだけを実行する

書き出す必要の有無は？

ヒ ン ト 命令しかないページは？

データのあるページは？

実記憶（主記憶）にある間に，書き換えられたかどうか！ この情報も，ページ表などで管理する

記憶管理の他の重要な機能 多重プログラミング環境

別のプログラムが，自分のデータを読み書き

別のプログラムのデータを読み書き 禁止する（保護） ただし，禁止だけではない（情報共有）

記憶装置の階層化

記憶装置の階層化（１） 第 2 回

仮想記憶は　　メモリ　　 HDDの 2 階層

容量 読み書きの時間

メモリ

小 短い

HDD 大 長い

記憶装置の階層化（２） キャッシュメモリ

CPU のデータ転送速度と主記憶装置の読み書き速度に差をうめる

CPU と主記憶装置の間におかれる高速記憶装置

記憶装置の階層化（３） 読み書きの速度 容量 値段

早いもので大容量が理想であるが…

全体としてのバランス

ま　と　め

ま と め（１） 必要になったページが実記憶にない

という割込みページフォールト

実記憶に読み込む

ページイン

ま と め（２） 空きページ枠がないとき，どのページ枠を空

けるか これから使いそうにないページが格納されて

いるページ枠を選ぶ 必要に応じて，そのページ枠の内容を補助記

憶装置に書き出す ページアウト

ま と め（３） ページアウトするページの選択

将来の予測 FIFO LRU 他にもある

最前未使用 (NRU) アルゴリズム，セカンド・チャンスアルゴリズム，ワーキングセット法，…

ま と め（４） ページアウトする必要のない場合

単に新しいページでページ枠を上書きする

ページ枠の内容が変更されていない 補助記憶装置の内容と同じ プログラム データであっても変更されていない

ま と め（５） プロセスへのページ枠の割当てが少ない

ページ置換えが頻発

プロセスの実行時間が少なくなる

スラッシング

ま と め（６） 記憶装置の階層化

キャッシュメモリ メモリ HDD

読み書きの速度，容量，価格

キャッシュは後でも出てくる