差分

+----+ +-----+ [[File:Memory_fig1.png|----thumb| right| CPU +---->300px|----| メモリ +-----+ |----| +----+シンプルなアクセスモデル]]

+----+ +----+実メモリ空間== ページング == +---------+ |----|-->|----|---------+=== ページフォルト === [[File:Memory_fig3.png|プロセス +-->thumb|----right| |----|<--+ 300px|ページフォルト時のモデル]] +---------+ |----| +----+ | V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。 |----|---> X | 書き出し実メモリのサイズは限られているわけですから、 仮想アドレス|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----| 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。

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 この考え方は仮想記憶に限らずCPUのキャッシュメモリなどでも使われています。最近のCPUはキャッシュが512KB、1MB、2MB という具合にどんどん増えています。これはメモリからデータをフェッチしてきて、CPU内のキャッシュにおき、そこをアクセスすることで高速化を狙います。当然、外にあるメモリよりCPU内のキャッシュの方がアクセス速度は格段に良いですから、それだけ速度が出るということになります。  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」ということがいえるでしょう。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現れます。  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。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" > #include <stdlib.h> #include <errno.h>#include <unistd.h>#include <stdio.h>int 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">$ cc malloctest.c $ ./a.out & [1] 93627$ ps axu | grep a.out-o user,pid,vsize,rss,cmd USER PID VSZ RSS CMD hironobu 29813 87439 0.0 10752 0.0 525528 284 pts/8 S 17:32 6392 bashhironobu 0:00 93627 526788 580 ./a.outhironobu 93628 9928 3440 ps ---この並びは下の様になっています---o user,pid,vsize,rss,cmd USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND</pre>

このプログラムは512MBメモリ領域をmalloc(3)を使いアロケーションしています。実行時の状況をpsで見てみると、VSZが525528、RSSが284となっています。VSZはVirtual を使いアロケーションしています。実行時の状況をpsで見てみると、VSZが526788、RSSが580となっています。VSZはVirtual memory Sizeのことで仮想記憶もふくめて全部のメモリサイズです。RSSはReal Set Sizeのことで、実メモリ(物理的なメモリ)で専有しているメモリサイズです。つまり、このプログラムは約523.5MBもの記憶領域を取っているにもかかわらず、実際の実メモリ上では284KBしか取られていません。 で専有しているメモリサイズです。つまり、このプログラムは約527MBもの記憶領域を取っているにもかかわらず、実際の実メモリ上では580KBしか取られていません。

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> int main(void) { 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"> $ echo -n 'abcdefg' > dat

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。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、malloci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<ref>Multics and More VMhttps://users.cs.duke.edu/~chase/cps210-archive/slides/multics-vm.pdf</ref>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のいくつかの実装<ref>The GNU Allocatorhttps://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/The-GNU-Allocator.html</ref>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。