ページングとスワップ

このレッスンで分かること

ページング はメモリを固定サイズ（典型 4KB）の ページ に区切り、ページ単位で仮想 ↔ 物理を対応付ける仕組みです

スワップ は使われていないページをディスクに追い出し、必要になったら読み戻す機能です

スワップが頻発する スラッシング に陥ると、システムはほぼ停止します

ページングとスワップとは

ページングとスワップ。本レッスンでは、ページングとスワップの基本から実際の使いどころまでを整理し、現場で迷わず使える形に落とし込みます。

ページング

仮想空間も物理メモリも 4KB（一部 2MB / 1GB の huge page もある）の単位でブロック化します。

用語	意味
ページ	仮想側のブロック
ページフレーム	物理側のブロック
ページテーブル	仮想ページ → 物理フレームの対応表
ページフォルト	仮想ページに物理が割り当てられていないときの割込み

ページテーブルはプロセスごとに 1 つ存在し、CPU のレジスタ（x86 なら CR3）にトップアドレスがロードされます。プロセス切替えで CR3 を入れ替えるだけで、メモリ世界が丸ごと切り替わります。

アドレス変換の図解

diagram (will load when visible)

頻繁にアクセスする変換結果は TLB（Translation Lookaside Buffer） にキャッシュされ、ページテーブル走査をスキップできます。

ページフォルトの種類

種類	原因	対応
マイナーフォルト	RAM 上にはあるがマップしていない	即座にマッピングして再開
メジャーフォルト	RAM から落ちている（スワップ／ファイル）	ディスクから読み戻す
不正アクセス	アクセス権なし／未割当て	SIGSEGV を投げてプロセス停止

C や Rust で *ptr がクラッシュすると、それは「不正アクセスの結果 SIGSEGV を受け取った」状態です。

スワップ

物理 RAM が足りなくなると、OS は使用頻度の低いページをディスク上の スワップ領域 にコピーし、その物理フレームを解放します。後で必要になるとフォルト → ディスクから読み戻し、という流れです。

ターミナル

# Linux でのスワップ確認
swapon --show
free -h

プレーンテキスト

               total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:            8.0G        5.4G        420M        180M        2.2G        2.0G
Swap:           2.0G        450M        1.5G

Swap: used が大きく増え続けると、システムはスワップ中の可能性があります。

ページ置換アルゴリズム

どのページを追い出すかは性能に直結します。

FIFO 古く読まれた順に追い出す。実装は簡単だが、よく使うページも追い出してしまう
LRU（Least Recently Used）最後にアクセスされた時刻が古いものから追い出す。理想に近いが正確な実装は重い
クロックアルゴリズム LRU の近似版で、参照ビットを巡回的にチェックする。Linux で実用化

トレードオフ

ページサイズを大きくすると TLB のヒット率は上がる が、内部フラグメンテーション（中途半端な空き）が増える
スワップは「OOM Killer 起動を遅らせる安全弁」ですが、頻発すれば応答性が壊滅。データベースサーバーではスワップを実質無効化する vm.swappiness=1 設定が定石です
SSD 上のスワップは HDD より高速ですが、書き込み寿命を消費します

よくある誤解

「スワップを増やせばメモリが増えたことになる」は誤りで、スワップは 緊急避難所 であり、ディスク I/O 速度に律速されるため RAM の置き換えにはなりません
「スラッシングはハードウェアの問題」も誤りで、原因はワーキングセットが RAM に収まらないことであり、設計やデータ構造の問題です

やってみよう

ターミナル

vmstat 1 5

si（swap in）と so（swap out）の列が常に 0 なら平和、頻繁に値が立つならスワップが動いています。同じく /proc/meminfo の Active Inactive を眺めるとページの状態が見えます。

よくある質問

Q. このトピックは実務でどう役立ちますか？

A. DB のクエリ最適化、API 設計、データ構造の選択など、設計判断の根拠になります。表面的にライブラリを使うだけでなく「なぜそれが速いのか」を理解できると、性能問題を未然に防げます。コーディング面接でも頻出のテーマです。

Q. 計算量はどう求めれば良いですか？

A. ループのネストごとに掛け算する、再帰なら漸化式から解く、というのが基本です。Big-O 表記は定数倍と低次の項を無視するため、n の指数（n²、n log n など）に注目してください。最悪・平均・最良の 3 つを意識すると説得力が増します。

Q. 覚えるべき定番アルゴリズムは何ですか？

A. 二分探索、クイックソート/マージソート、BFS/DFS、ダイクストラ、DP の基本問題（フィボナッチ・ナップサック）が必修です。これらを「白紙から書ける」状態にすると、応用問題が一気に解けるようになります。

次のレッスン

次は mmap とメモリマップトファイル で、ページングとスワップを学びます。

事前確認 — 進む前に次の 3 つができることを確認しましょう。

ページングとスワップの要点を自分の言葉で説明できる
このレッスンの最小コード (または操作手順) を見ずに書ける
練習問題やクイズで間違えた箇所を読み直して理解した

理解度チェック (30 秒)

Q. ページングとスワップとは何か、1 文で説明してください。

この章のポイント

A. 本文の「このレッスンで分かること」または冒頭の説明文を見直し、自分の言葉で要約できれば OK。詰まったら本レッスンの最初の H2 セクションを読み返してみましょう。

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