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ソフトウェア 記憶の管理 と 仮想記憶

基本情報技術概論 ( 第 14 回 )

埼玉大学 理工学研究科 堀山 貴史

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期末試験

7/30 ( 木 ) 3, 4 限 工 -11 教室 ( 要確認 ) 試験範囲 : 中間試験以後、 7/23 の講義分ま

で アルゴリズムとデータ構造 ( 第２部 , 第 10 部

01) ソフトウェア ( 第 4 部 01 ～ 09, 第 10 部 03

該当部分 ) 確率と統計 (7/23 に実施 )

持ち込み不可 荷物はイスの下に。 机の上 や 机の棚に 物がある場合は、 不正行為とみなします。

問題用紙や解答用紙の配布を始めたら、私語厳禁。（私語も不正行為とみなします。）

情報処理技術者試験の過去問 http://www.jtec.ipa.go.jp/

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前回の復習： ソフトウェアの体系

ユーザ

基本ソフトウェア

(OS)

アプリケーションソフトウェア

ハードウェア

制御プログラム スーパバイザ 制御 ( 管理 ) やユーザプログ

ラム実行の監視 ジョブ管理、タスク管理、記憶

管理 データ管理、運用管理、障害管

理

言語プロセッサ コンパイラ、アセンブラ、インタ

プリタ

サービスプログラム ユーザインタフェース

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主記憶 (main memory, メモリ ) に、 プログラムとデータを置く

ずいぶん前の復習： コンピュータの構成

出力装置入力装置

制御装置

補助記憶装置

CPU演算装置

主記憶装置

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記憶の管理 主記憶に 複数のプログラム を置きたい 主記憶よりも 大きなサイズのプログラム を扱い

たい

実記憶管理 プログラムから、実際の主記憶 ( の大きさや番地 )

が見える スワッピング方式 / オーバーレイ方式

仮想記憶管理 プログラムからは、仮想記憶が見える

OS が、仮想記憶と実記憶とを対応させる セグメント方式 / ページング方式

_________________

_________________

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実記憶管理（１）　スワッピング方式

主記憶に複数のプログラムを置きたい

プログラム Ｃ

ＯＳ

プログラム Ｂプログラム Ａ

主記憶装置

スワップアウト

実行に関係のないプログラムを、

主記憶から待避させる

新しいプログラムを実行したい

1. スワップ アウト

2. 空き領域 に ロード 補助記憶装置

プログラム Ｄ

プログラム Ｅ

________________

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実記憶管理（１）　スワッピング方式

主記憶に複数のプログラムを置きたい

ＯＳプログラム Ａ

主記憶装置 補助記憶装置

スワップイン

スワップアウトされていた

プログラムを主記憶に戻す

プログラム Ｅ

主記憶に空きがなければ、

他のプログラムをスワップアウト

スワップ イン＿＿＿

プログラム Ｄ

実行を再開したい

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実記憶管理（２）　オーバーレイ方式

主記憶よりも大きなサイズのプログラムを扱いたい

実行するプログラムを、セグメント ( モジュール ) に 分割

（ OS ではなく） プログラム自身が ロードのタイミングを指

定

セグメント Ｃ セグメント Ｄ

セグメント Ｂセグメント Ａ

主記憶装置

ルートセグメント

ルート

Ａ Ｂ

Ｃ Ｄ

必要

な最

大サ

イズ

※ ＡとＢ、ＣとＤは同時に使わない

________________

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フラグメンテーション ( 断片化 ) OS が記憶領域の割当てと開放を繰り返す

　　　　　　　　→ こま切れの未使用領域 ( 断片 )

合計では十分な空き領域があるが、

　　　　　　　　　　こま切れのため、使えない

ＯＳ

主記憶装置

プログラム Ｅ

プログラム Ｄ

プログラム Ｆ？

コンパクション こま切れの隙間を 集めて、連続した 領域にする

________________

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プログラム実行に関連した用語

再配置 ( リロケーション ) プログラムを、主記憶上の他の位置に置き直す(→ see also 演習 14 回 再配置可能 )

ガーベージ コレクション ( ゴミ集め , Garbage Collection) 動的に確保した記憶領域のうち、不要に

なった部分を回収し、再び利用できるようにする処理 (Java 等で、実行環境が自動的に行ってくれる )

メモリ リーク プログラムが、動的に確保した記憶領域

を、不要になっても解放せず、保持し続けること

システムから見ると、使える主記憶が減っていく

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仮想記憶

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実記

憶

仮想記憶 主記憶よりも大きなサイズのプログラムを扱い

たい OS が必要な所を必要に応じてロードしてくれると便利

OS が主記憶よりも大きなサイズの記憶空間を 仮想的に用意する　（仮想記憶という） プログラムは、実記憶 ( のサイズや番地 ) を気にしなく

てよい　　

分割 Ｄ

分割 ＣＯＳ分割 Ｂ分割 Ａ

分割 Ｃ分割 Ｅ

主記憶装置 補助記憶装置

プロ

グラ

ム

ＯＳ が、必要に応じてロード

仮想記憶

分割 Ａ

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仮想記憶管理（１）　セグメント方式

セグメント … 論理的に意味のある、分割単位

プログラムをセグメントに分割して、 OS が管理

セグメントのサイズは、可変 … フラグメンテーションが起きる可能性あり (→ コンパクション を行う )

________________

________________

________________

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仮想記憶管理（２）　ページング方式

ページ … サイズ固定の分割単位

プログラムをページに分割して、 OS が管理

ページフォールト 必要なページが、実記憶に配置されていない

ページ置き換え ページフォルトが発生したら 必要ないページを補助記憶に待避 （ページアウ

ト） 必要なページを主記憶にロード （ページイ

ン）_____________

________________

________________

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ページ置き換えアルゴリズム F I

FO どのページを必要ないと判断するか

F I FO … 最初に入ったページが、最初に出ていく

割当てステップ

次の仮想ページの参照に対し、実記憶の状態は F I FO により どのように変化するか示しなさい。

(H18年度 秋 改変 )

参照する仮想ペー

ジ実記憶の状態

123456

142151

111

-44

--2

First-In First-Out

参考： Belady の例外

実記憶の割当て量を増やすと、かえってページフォールトが増えることがある

テキスト p.110, 111 も参照

________________

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どのページを必要ないと判断するか LRU … 最も長く使われていないページを捨

てる ( 最後に参照されてからの時間が最も長いページ )

割当てステップ

次の仮想ページの参照に対し、実記憶の状態は LRU により どのように変化するか示しなさい。

(H18年度 秋 改変 )

参照する仮想ペー

ジ実記憶の状態

123456

142151

111

-44

--2

ページ置き換えアルゴリズム LRULeast Recently Used

テキスト p.110, 111 も参照

________________

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スラッシング 主記憶が極端に小さいと …

⇒ ページング （ページイン / ページアウト） が頻繁に発生

⇒ 処理時間のほとんどがページング、 プログラム実行のスループットが極端に低下

________________

時間的局所性 今 参照されている箇所は、近い将来 にも参照される可能性が高い

空間的局所性 今 参照されている箇所の 近くの場所 が、参照される可能性が高い

参考： 参照の局所性 仮想記憶や

キャッシュが有効に機能する理由

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動的アドレス変換

仮想記憶上の仮想アドレス ( 論理アドレス ) を 主記憶上の実アドレス ( 物理アドレス ) に変換す

る例 ) ページング

5 F 0 1ページ番号

ページ枠内のアドレス

論理アドレス

1 2 0 0 05 1 0 0 0A 3 0 0 0

ページ テーブルページ番号

ページ枠の物理アドレス

1000 + F01

= 1F01

物理アドレ

ス

主記憶

ページ 5

ページ 1

ページ A

3000

2000

1000

________________

※ 参照ページがページテーブルに無い場合、ページフォールト

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スラッシング

主記憶が極端に小さいと …

⇒ ページング （ページイン と ページアウト） が

頻繁に発生

⇒ 処理時間のほとんどがページング、 プログラム実行のスループットが極端に低

下

________________

参考：　参照の局所性

時間的局所性

今 参照されている箇所は、 近い将来 にも参照される可能性が高い

空間的局所性

今 参照されている箇所の 近くの場所 が、 参照される可能性が高い

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※ 仮想記憶やキャッシュは、 これらの局所性のおかげで有効に機能する

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モジュール A ～ E を次の順で操作する。 操作終了時点で、 主記憶の空き領域は何か所存在す

るか。 ここで、主記憶は 500 kB 、初期状態では何もロー

ドされていない。また、モジュールは空き領域の先頭からロードする。

[操作 ] A ロード → B ロード → C ロード → B 解放 → D ロード → A 解放 → E ロード

練習問題： フラグメンテーション ( 断片化 )

モジュール

大きさ (kB)A

BCDE

200100150 80 90

(H19年度 春 改変 )

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この文面は、 TOKYO TECH OCW の利用条件を参考にしました

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配布場所 http://www.al.ics.saitama-u.ac.jp/horiyama/OCW/

この powerpoint ファイルの著作者 堀山 貴史　 2007-2009 horiyama@al.ics.saitama-

u.ac.jp 改変等を加えられた場合は、お名前等を追加してください

図の著作者 p. 3

クリップアート : Microsoft Office Online / クリップアート

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