差分

=== 実メモリ ===

==== モデルと現実 ページ ====

書き込みや読み込みをする単位をページといい、サイズは32ビットアーキテクチャーのCPUは4KBのページサイズで、64ビットアーキテクチャーのCPUは8KBのものがほとんどです。この書き込みや読み込みをする単位をページといい、サイズは32ビットアーキテクチャーのCPUは4KBのページサイズで、64ビットアーキテクチャーのCPUは8KBのものがほとんどです。<ref>ただしCPUのアーキテクチャーによっては異なる場合があります。これらはCPUのアーキテクチャーに依存するので異なる場合があります。例えばIBM POWER5+ や POWER6 プロセッサーは64KBのページサイズも利用することが出来ます。[https://www.ibm.com/developerworks/community/wikis/home?lang=en#!/wiki/Welcome%20to%20High%20Performance%20Computing%20%28HPC%29%20Central/page/64KB%20pages%20on%20Linux%20for%20Power%20systems 64KB pages on Linux for Power systems (IBMサイト)]</ref>たとえばページサイズ4KBで512MB分のメモリチップを搭載しているマシンは、内部で131072ページを持つ計算になります。  プロセスに割り当てられているメモリリソースとしてのメモリのアドレスは仮想的なアドレス空間に割り当てられます。仮想アドレス空間での仮想アドレスは、実際の実メモリの物理的な意味でのアドレスとは一致しません。 

=== ページング ======= ページフォルト ==== [[File:Memory_fig3.png|thumb|right|300px|ページフォルト時のモデル]]ページフォルト（Page Fault）の発生をうけてオペレーティングシステムは実メモリ上に必要な記憶領域を確保しようとします。実メモリのサイズは限られているわけですから、必要であれば実メモリのページ内容を外部記憶装置に書き出し、空きを作りそこに新しいページをマッピングします。再度、その外部に書き出されたページをアクセスすることが発生したら、該当のページを外部記憶装置から実メモリ上に読み込んできます。ページを読み込むのがページイン (page-in)、ページを書き出すのはページアウト(page-out)といいます。

ページフォルトの発生をうけてオペレーティングシステムは該当のページを外部記憶装置、たとえばハードディスクから実メモリ上に読み込んできます。実メモリのサイズは限られているわけですから、必要であれば実メモリのページ内容を外部記憶装置に書き出します。ページを読み込むのがページイン、ページを書き出すのはページアウトといいます。   +----+ +----+実メモリ空間 +---------+ |----|-->|----|---------+ |プロセス +-->|----| |----|<--+ | +---------+ |----| +----+ | V |----|---> X | 書き出し 仮想アドレス|----| ページ 読み込み| 空間+----+ フォルト | | [ハードディスク]  ==== スワップ ====

本来のスワップの定義はメモリが少なくなるとプロセスが使っているメモリをまるごと補助記憶装置に移動させる方法です。ページングはページ単位ですからページングとスワップとは技術的には区別されます。その意味でLinuxはページングだけやってスワップはしません。ちなみにLinuxで仮想記憶が動き始めたのは1991年12月18日だそうです厳密にいえば本来のスワップの定義はメモリが少なくなるとプロセスが使っているメモリをまるごと補助記憶装置に移動させる方法です。ページングはページ単位ですからページングとスワップとは技術的には区別されます。その意味でLinuxはページングだけやってスワップはしません。<ref>mmちなみにソースコードmm/memory.cを見るとLinuxで仮想記憶が動き始めたのは1991年12月18日だそうです。mm/memory.c</ref>。尚、 GNU/Linux 関連のドキュメントを読んでいると、あまりスワップとページングの言葉の使い分けを明確に区別しているよう感じではなく、仮想記憶でページング(paging)機能全体をざっくり指してスワップみたいな括りで呼んでいるような印象です。

仮想記憶の機能があっても、もし実メモリが十分余裕があれば、わざわざスワップのための設定をする必要がありません。またスワップする先が用意できなければ当然できません。たとえばCD仮想記憶の機能があっても、もし実メモリが十分余裕があれば、わざわざスワップのための設定をする必要がありません。またプラクティカルには実メモリは、スワップ先である外部記憶装置よりも高価であり、そのスワップのオーバーヘッドを考えても利益があると考えた場合に有効です。またスワップする先が用意できなければ当然できません。たとえばCD-ROMからブートするKNOPPIXではデフォルトではスワップを使っていません。

<pre> /dev/hda3 none swap sw ,pri=0 0 0</pre>

これを一般化してみると、「データを高速にアクセスできるほど装置は容量当たりのコストが高いので、容量とコストを勘案し多段に装置を組合せることによって、リーズナブルに高速で大容量のアクセスできる記憶装置を用意することができる」ということになります。メモリ、仮想記憶、ファイルシステムなど色々な場面でこの考え方が使われます。  このアクセスが高速で小容量の装置と低速で大容量の装置との間でデータを移動させなければなりませんが、この時どのデータを選ぶかが問題になってきます。よく使われるデータは速い方へ、なかなか使われないデータは遅い方へ移すのが合理的です。ただし、「良く使われる」というのは過去の話ではなく将来の話だという所がポイントです。「良く使われるだろう」と判断するルールを決めなければなりません。このルールでよく使われるのがLRU (least recently used)です。LRUは直訳すると「最近、最も使われていないもの」ということで、簡単に言えば一番暇なものを入れ換えるという単純な話です。LinuxのページングもLRUのポリシーで行っています。   === malloc =動的なメモリ領域確保 ==

* プログラム: malloctest.c<syntaxhighlight lang='C' line="1" >

main() { char *p; size_t areasize=1024*1024*512; if ((p=(char *)malloc(areasize)) == NULL) { perror("malloc"); } sleep(10); free(p); }</syntaxhighlight> * 実行例:  <pre class="bash">

USER COMMAND RSS VSZ root [keventd] 0 0 root [ksoftirqd_CPU0] 0 0

hironobu emacs20 -geometr 9076 11112/usr/bin/emacs23 15732 42140 canna hironobu gedit 23204 173232 hironobu /usropt/sbingoogle/chrome/chrome - 107380 359600</cannas 17540 19152pre>

==コピーオンライトとその実際 = mmap=   Linuxのカーネルではプロセスが親から引き継がれたメモリ領域や実行コードなどを引き継いでいても、そこに書き換えが発生するまで、実際のメモリ領域はとりません。書き込みがあって始めてメモリ領域を確保し、中身をコピーして別なものにします。このことをコピーオンライト(CoW: ファイルとメモリ Copy on Write)といいます。このような仕組みにより、高速に新しいプロセスを生成したり、あるいはメモリの効率的な利用が出きるようにしています。  /proc/(プロセスid)/smapsは、カーネル内の該当プロセスのメモリ利用状況を表示するAPIです。それを使って実験したいと思います。dashはDebian版軽量シェルでシステムのシェルスクリプトを実行するのに使われます。さて、$$はシェル自身のプロセスidですので、/proc/$$/smapsとすると現在使っているシェルのメモリ利用状況がわかります。注目するのは Shared_Clean と Private_Clean の値です。Shared_Clean はシェアしているメモリです。Private_Clean は自らのメモリです。クリーンな、という意味は、まだそのページは変更されていない（書き込みがおこっていない）という意味です。まず最初、dashを起動してdashシェル環境でメモリ利用状況をみます。この時、引き継ぐものがないのでPrivate_Cleanが76kB (=Rssの値と同じ)、Shared_Cleanが0kBとなっています。次にdashの中でさらにdashを起動します。つまり最初のdashが親プロセスとなった新しいdashです。この上で両方の値をみるとPrivate_Cleanが0kB、Shared_Cleanが76kB(= Rssの値と同じ)となっています。つまり、子プロセス側となったdashのメモリは、この時点ではシェアしているものを使っていることがわかります。 <pre class="bash"> $ dash $ cat /proc/$$/smaps | head -9 08048000-08060000 r-xp 00000000 08:01 4825 /bin/dash Size: 96 kB Rss: 76 kB Pss: 76 kB Shared_Clean: 0 kB Shared_Dirty: 0 kB Private_Clean: 76 kB Private_Dirty: 0 kB Referenced: 76 kB $ dash $ cat /proc/$$/smaps | head -9 08048000-08060000 r-xp 00000000 08:01 4825 /bin/dash Size: 96 kB Rss: 76 kB Pss: 34 kB Shared_Clean: 76 kB Shared_Dirty: 0 kB Private_Clean: 0 kB Private_Dirty: 0 kB Referenced: 76 kB</pre> == mmap ==

* プログラムmmap.c <syntaxhighlight lang='C' line="1" >#include <stdio.h>#include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <sys/mman.h> main() { int fd; struct stat st; char *p; int i; fd=open("dat",O_RDWR); fstat(fd, &st); p=mmap(0,st.st_size,(PROT_READ|PROT_WRITE),MAP_PRIVATE,fd,0); for(i=0; i < st.st_size -1 ; i++) { printf("[%c]",p[i]); } close(fd); }</syntaxhighlight> * 実行<pre class="bash">