差分

==== 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。

 プロセスは仮想アドレス空間にアクセスしています。MMUがアドレス変換をして仮想アドレス空間より実メモリアドレス空間をマップしてくれています。これによってプロセスが連続したメモリ空間を確保することができるようになります。ですが、プロセスはアクセスしているアドレスは連続していると見えていても、実メモリ上では不連続だったり、あるいは不連続な上に逆転している場合もありえますし、たぶん、実際に動いている最中はそうなっているでしょう。  実メモリに入りきらないものを外部記憶装置に書き出し、必要になったら実メモリに読み込もうというのが仮想記憶です。実メモリアドレス空間より仮想アドレス空間よりが大きい状態になっていれば、実メモリ上にない仮想アドレスを要求することが発生します。アクセス時はアドレス変換を行うためのキャッシュであるTLB アクセス時はアドレス変換を行うためのキャッシュであるTLB (Translation Lookaside Buffer)にアドレスを問い合わせます。MMUの中にTLBの機能が含まれているタイプ、あるいはCPUチップ上にMMUとは別にTLBを用意しているタイプなどがあります。いずれにしてもTLBにアドレスが見つからなかった場合、つまり実メモリ上に該当ページを見つけられないとMMUはシグナルを発生させます。これをページフォルトいいます。にアドレスを問い合わせます。MMUの中にTLBの機能が含まれているタイプ、あるいはCPUチップ上にMMUとは別にTLBを用意しているタイプなどがあります。いずれにしてもTLBにアドレスが見つからなかった場合、つまり実メモリ上に該当ページを見つけられないとMMUはシグナルを発生させます。これをページフォルトいいます。

 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 +---------+ [[File:Memory_fig3.png|----thumb|-->right|----300px|---------+ページフォルト時のモデル]] |プロセス +-->|----| |----|<--+ |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。 +---------+ |----| +----+ | V実メモリのサイズは限られているわけですから、 |----|---> X | 書き出し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、 仮想アドレス|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----| ページ 読み込み|in)、 空間+ページを書き出すのはページアウト(page----+ フォルト | | [ハードディスク]out)といいます。

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。

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

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 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。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。

* 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>

* 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">

ファイルもメモリも、さらにデバイスすらも単純な1つの記憶空間として扱おうというコンセプトが単一レベル記憶です。現在、オペレーティングシステムレベルでサポートしているのはIBM社のSystem iシリーズぐらいしかないので、インターネット上で説明を探すとIBM ファイルもメモリも、さらにデバイスすらも単純な1つの記憶空間として扱おうというコンセプトが単一レベル記憶です。現在、オペレーティングシステムレベルでサポートしているのはIBM社のSystem iシリーズ<ref>IBMのサイトにあるIBM System iの機能＝単一レベル記憶の定義みたいな説明しかありませんが、実は、その歴史は古く1960年代に作られたMultics上に既に実装されています。iの単一レベル記憶の解説 : http://www-06.ibm.com/systems/jp/i/seminar/reconf/reconf1.shtml</ref>ぐらいしかないので、インターネット上で説明を探すとIBM System iの機能＝単一レベル記憶の定義みたいな説明しかありませんが、実は、その歴史は古く1960年代に作られたMultics上に既に実装されています。 

UNIXは単一レベル記憶を前提としているデザインはありませんが、現在のUNIX系のオペレーティングシステムはmmapを実装することによってMulticsが持っていたファイルもメモリも、そしてデバイスも同様に扱うことができる利益を得ています。例としては今時のLinuxやその他UNIX系のオペレーティングシステムでは実行バイナリやライブラリを動かすとき、一々ファイルの中身を読み込む動作をせず、実行するバイナリデータを内部でマップしてしまいます。ですから古典的なUNIXで言われるような、「実行バイナリファイルをメモリに読み込み実行する」という表現は少なくとも現在のLinuxの実行時の表現としては適切ではないという状況になっています。あとデバイスの利用例としては、mallocUNIXは単一レベル記憶を前提としているデザインはありませんが、現在のUNIX系のオペレーティングシステムはmmapを実装することによってファイルもメモリも、そしてデバイスも同様に扱うことができる利益を得ています。例としては今時のLinuxやその他UNIX系のオペレーティングシステムでは実行バイナリやライブラリを動かすとき、一々ファイルの中身を読み込む動作をせず、実行するバイナリデータを内部でマップしてしまいます。ですから古典的なUNIXで言われるような、「実行バイナリファイルをメモリに読み込み実行する」という表現は、少なくとも現在のLinuxの実行時の表現としては適切ではないという状況になっています。あとデバイスの利用例としては、malloc()のいくつかの実装では内部で記憶領域を確保するとき/dev/zeroをmmapでオープンして使っています。mmapの機能の背景にある単一レベル記憶というキーワードは知っていて損はないでしょう。zeroをmmapでオープンして使っています。mmapの機能の背景にある単一レベル記憶というキーワードは知っていて損はないでしょう。