仮想メモリとページテーブル

仮想メモリとは、プロセスごとに「自分専用の、大きくて連続したメモリ」があるように見せる、OSとプロセッサのしくみです。プロセスどうしがデータを壊し合わず、物理メモリより大きな仕事も動かせます。

マンションの部屋番号を考えてください。どの棟にも101号室があります。ただし、101号室が指す本物の部屋は、棟ごとに違います。仮想アドレスも同じ使われ方をします。

OSは、仮想アドレスの世界を、同じ大きさのページに区切ります。物理メモリも、同じ大きさのフレームに区切ります。1ページが1フレームに入ります。

ページの大きさは、多くのPCで4096バイトです。次のコマンドで、この機械の大きさを調べられます。

getconf PAGESIZE

仮想アドレスを、ページの大きさで割ります。商がページ番号で、余りがオフセットです。オフセットは、そのページの先頭から何バイト目かを表します。

例として、アドレス12345を4096で割ります。商は3、余りは57です。つまり、ページ3の57バイト目です。

python3 -c "print(12345 // 4096, 12345 % 4096)"

プロセスごとに、OSはページテーブルを1つ持ちます。ページ番号から、入っているフレーム番号を引く表です。

物理アドレスは、フレーム番号にページの大きさをかけて、オフセットを足したものです。ここからは、計算しやすいように、1ページを100バイトとします。

page_size = 100
page_table = [5, 2, -1, 7]
address = 150  # 399 などに変えてみましょう
page = address // page_size
offset = address % page_size
frame = page_table[page]
print(frame * page_size + offset)

Linux は、物理メモリの量を /proc/meminfo に出します。全体が MemTotal、空きが MemFree です。

プロセスごとの情報は /proc/自分/status にあります。VmSize は仮想アドレスの大きさで、VmRSS は今フレームに入っている分です。数は機械ごとに違うので、次のコマンドは項目名だけを取り出します。

grep -E '^(MemTotal|MemFree)' /proc/meminfo | cut -d: -f1

grep -E '^(VmSize|VmRSS)' /proc/self/status | cut -d: -f1

ページテーブルに「メモリにない」とあるページを使うと、ページフォールトが起きます。プロセッサがOSを呼び、OSがディスクからそのページを空きフレームに読み込みます。

読み込みが終われば、ページテーブルを直して、同じ命令をやり直します。プログラムは、何も気づきません。