記憶管理（1）

記憶管理（１）
オペレーティングシステム
第８回
注意


CPUは一つ
 実行可能状態のプロセスは複数個ありうる
 しかし，実行中のプロセスは一つ
物理的メモリに関係した話なので，プロセスでは
なく，プログラムという言葉を用いることにする
記憶管理とは（１）

プログラムを実行するには，メモリに格納


メモリのどこに格納するのか？
プログラムが終了したら，格納場所（メモリ）は
どうするのか？
記憶管理とは（２）



プログラムの実行に必要なメモリを割り当てる
 格納する場所を決める
不要になったメモリを解放する
 終了したら，別のプログラムを格納できるよう
にする ⇒ 別のプログラマを実行できるように
する
というOSの機能（メモリの割当て・解放）を“記憶
管理”
記憶管理とは（３）


同時に実行するプログラムが一つ
A → B → C の順に実行
記憶管理とは（４）

同時に複数個のプログラムを実行する
スワッピング（１）


実行中のプログラムは，ある時点では一つ
そのプログラムだけがメモリに格納されていれば
よい
スワッピング（２）
実行中の時だけ，メモリに格納
スワッピング（３）





プログラム A，B
Aを実行する時は，Aをメモリに
Bを実行する時は，Aを外部記憶装置（HDDなど）
に退避し，Bをメモリに
Aを実行する時は，Bを退避し，外部記憶装置に
退避したAをメモリに
…
スワップインメモリに読み込むこと
スワップアウトメモリから書き出すこと
スワッピング（４）


コンテクストスイッチの時に，入れ替える
 入れ替えに時間がかかる
メモリの容量が増えれば，複数個のプログラムを
同時に格納できるような場合が多くなる
 “記憶管理とは（４）”の左
 どのように複数のプログラムを格納するか？
固定区画方式（１）


メモリをあらかじめ区
切る
各区画にプログラム
を格納し，実行する
固定区画方式（２）



二つのプログラムを格
納
区画に空きが生じる
メモリには余裕があっ
ても，区画の大きさよ
り大きなプログラムは
実行できない
単純な方式（１）



メモリの最初から，順
に格納する
Bが終了（Bが格納さ
れていたメモリを再利
用）
Dを実行
単純な方式（２）



Dを格納できない
メモリの空いている
場所（使える領域）
が，散らばる
 メモリの断片化
Cの格納場所をずら
せば，Dは格納でき
る
大きな問題



プログラムを実行するためには，メモリに格納す
実行するプログラムが複数
る
の場合は，それらの合計
メモリの大きさよりも，大きなプログラムを実行す
ることはできない
メモリを大きくしても，それより大きなプログラム
を実行したくなる
より多くのプログラムを
実行したくなる
よく考えてみると


プログラム全体をメモリに格納する必要はない
プログラムを分割し，実行するのに必要な部分
のみをメモリに格納
 必要ない部分はディスクなどの補助記憶装置
に格納
 実際には，全体をディスクに格納しておき，必
要になった部分だけをメモリに格納する
二つの方法（１）

実際のメモリの大きさよりも，大きなプログラムを
実行できるようにする二つの方法

オーバーレイ

仮想記憶
二つの方法（２）


いずれの方法であっても
 プログラムをどのように分割するのか
 分割した部分のどれを，メモリのどこに格納す
るのか
ということなどを決めなければならない
オーバーレイ
重ね割付け
オーバーレイ（１）

プログラムの分割方法や，実行に必要な部分の
指示を利用者（プログラマ）が行う

overlay 重ね割付け

どちからかというと古典的手法
オーバーレイ（２）




A，B，C，Dの4つの部
分（モジュール）にプ
ログラムを分割
プログラムの実行開
始→Aから
AがBを呼び出す
Bが終了→Aに戻る
（Bは不要になる）





AがCを呼び出す
Cが終了→Aに戻る
（Cは不要になる）
AがDを呼び出す
Dが終了→Aに戻る
Aが終了→プログラム
の終了
Aが中心的な働きをする
メモリに常駐
このようなモジュールがある
オーバーレイ（３）

今の関係を図式化すると
上の
モジュール
が，下の
モジュール
を呼び出す
↓
同時にメモ
リに格納
横に並んでいるモジュールは，
同時にメモリに格納する必要
はない
オーバーレイ（４）


AがBを呼び出すときに，Bをメモリに格納する
 Aはメモリに残しておく
メモリを読み込む単位をオーバーレイセグメント
と呼ぶ
 先の例では，モジュール＝オーバーレイセグメ
ント
 いくつかのモジュールをひとつのオーバーレイ
セグメントとする場合もある
問題
BがCを呼び出す場合は，
どうなるか？
この大きさのメモリが
あれば，実行できる
オーバーレイ（５）
B，CとDは同時にメモリに格納されない
“BがCを呼び出す”というようなことは不可
オーバーレイ（６）

プログラムの分割と必要な部分の指示はプログ
ラマが行わなければならない


プログラムのことは，プログラムを作った者が
よく知っているはず
しかし，易しいことではない
仮想記憶
仮想記憶（１）


プログラムの分割，メモリへの読み込みを自動的
に行う
 OSが行う
プログラム全体がメモリに格納されているものと
する
 ただし，そのメモリは実際のメモリではなく，仮
想メモリ（仮想記憶）
仮想記憶（２）

プログラムが格納され
ている仮想記憶を一
定の大きさのページに
分割
 ここでは，ページの
大きさを4096バイト
とする
 プログラムの内容
ではなく，大きさで
分割
仮想記憶（３）

実際のメモリ（実記
憶）も，ページと同じ
大きさのページ枠（ブ
ロック）に分割
仮想記憶（４）


仮想記憶はディスクな
どの補助記憶装置
プログラムの実行に
伴い，必要なページ
のみを実記憶のペー
ジ枠に格納
仮想記憶（５）



以上のことを，OSが行う
仮想記憶の大きさ＞実記憶の大きさ
であってもかまわない
プログラマにメモリの大きさを意識させない
仮想記憶（６）


各ページには，ページ
番号
各ページ枠（ブロック）
には，ページ枠番号（
ブロック番号）
仮想記憶（７）


ページ表
仮想記憶の各ページに対して
 実記憶に格納されている
 ページ枠の番号又はページ枠の先頭番地
 実記憶に格納されていない
 そのことが分かるような印
仮想記憶（８）

ページ表の例
ページ枠の
最初の番地の
場合もある
1ならば，実記憶にあり
0ならば，なし
仮想記憶（９）


プログラム中でデータ
や命令を参照
データや命令の番地
は
 格納されている
ページ番号
 そのページの先頭
からの相対番地
（0～4095）
ページ1の先頭
からの相対番地
前提
ページの大きさを
４０９６としている
仮想記憶（１０）

仮想記憶の4098番地
 ページ番号が1で，相対番地が2である
（相対番地は0～4095：12ビット）
仮想記憶（１１）


仮想記憶のページ1
が，65536番地から始
まるページ枠に格納
仮想記憶の4098番地
の実記憶での番地
4098番地は
ページ１の
２番地
仮想記憶（１２）



ページ番号1のページ
ページ表を調べると65536番地から始まるページ
枠
実記憶での番地は65536 + 2 = 65538番地
 ページ枠の先頭からの番地は，ページの先頭
からの番地と同じ（相対番地）
仮想記憶（１３）




プログラムの実行中にある番地を参照
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）

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
仮想記憶（１５）


あるページがいつも，同じページ枠に格納され
るとは限らない

格納されるたびに変わると考えるべき
番地を参照するたびに，番地の計算を行う

動的番地変換
仮想記憶（１６）


仮想記憶や実記憶を同じ大きさに分割する方
式をページ方式
セグメント方式と呼ばれるものもある
まとめ




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ムが行う
仮想記憶
 必要になった部分をOSがメモリに格納する

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