スワッピング

2025年10月25日

スワッピング

英語表記: Swapping

概要

スワッピングとは、仮想メモリシステムにおいて、主記憶（DRAM）の容量が不足した際に、現在あまり使用されていないデータやプログラムの領域（ページ）を、補助記憶装置（SSDやHDDなどのディスク）へ一時的に退避させたり、必要に応じてディスクから主記憶へ戻したりする一連のデータ交換処理のことです。これは、物理的なメモリ容量の限界を超えて、複数のプログラムを同時に実行可能にするための、非常に重要な基盤技術です。メモリ階層の観点からは、高速だが容量に限りがあるDRAMの利用効率を最大限に高め、システム全体の安定稼働を支える役割を担っています。

詳細解説

仮想メモリ環境におけるスワッピングの役割

スワッピングは、私たちが現在利用しているコンピューティング環境、すなわち「メモリ階層（キャッシュ, DRAM, NVRAM）」の中で、特に「仮想メモリとアドレッシング」の概念を物理的に実現するために不可欠な操作です。この技術がなければ、パソコンやサーバーは物理的に搭載されたDRAM容量以上のメモリを要求するアプリケーションを動かすことができません。

プログラムが実行される際、CPUは仮想アドレスを使用しますが、この仮想アドレスを実際の物理アドレス（DRAM上の場所）に変換する役割を担うのがMMU（メモリ管理ユニット）です。変換処理において、プログラムが必要とするデータや命令が現在DRAM上に存在しない場合、これを「ページフォールト」と呼びます。スワッピングは、このページフォールトが発生した際に、要求されたページを補助記憶装置からDRAMへ読み込む（ページインまたはインスワップ）作業として機能します。

動作の仕組みと構成要素

スワッピングの実行主体はオペレーティングシステム（OS）です。OSは、DRAM上に空き領域がない状態でページインの要求があった場合、以下の手順を踏みます。

犠牲ページの選定: まず、OSは現在DRAM上に存在するページの中で、次に要求される可能性が最も低いページ（犠牲ページ）を探します。この選定には、LIFOやLRU（Least Recently Used：最も長い間使われていない）といった様々なアルゴリズムが用いられます。
ページアウト（アウトスワップ）: 選ばれた犠牲ページの内容が変更されていた場合、その内容を補助記憶装置上の特定領域（スワップ領域、またはスワップファイル）に書き出します。この退避処理をページアウトと呼びます。
ページイン: ページアウトによってDRAM上に空きができた後、ページフォールトの原因となった、要求されているページをスワップ領域からDRAM上の空いた領域に読み込みます。

この一連のページインとページアウトの動きこそが「スワッピング」です。補助記憶装置はDRAMに比べてアクセス速度が桁違いに遅いのが特徴です。そのため、スワッピングが頻繁に発生すると、システムはデータの読み書きに多くの時間を費やし、結果として処理速度が大幅に低下します。この極端な性能低下の状態を「スラッシング」と呼びます。スワッピングは仮想メモリの生命線ですが、その頻度をいかに抑えるかが、メモリ階層の効率を決定づける重要な課題なのです。

具体例・活用シーン

図書館の書架と倉庫のメタファー

スワッピングの概念を理解するために、図書館を例にとってみましょう。

図書館の書架（DRAM）: 利用者がすぐに手に取れる、アクセスが速い場所です。しかし、スペースには限りがあります。
倉庫（スワップ領域）: アクセスに時間がかかりますが、事実上無限に本を保管できる場所です。
本（ページ）: データやプログラムの一部です。
司書（OS）: メモリ管理を担当します。

利用者が新しい本（ページ）を要求したとき、司書（OS）はまず書架（DRAM）を探します。本が書架にあればすぐに提供できます。しかし、書架が満杯で、要求された本が倉庫にある場合、司書は大変な作業を始めます。

司書は書架の中から「一番長い間誰も読んでいない本」（犠牲ページ）を選びます。
その本をいったん倉庫に運び込みます（ページアウト）。
空いたスペースに、要求された本を倉庫から運び出します（ページイン）。

スワッピングとは、この「書架と倉庫の間で本を入れ替える作業全体」を指します。もし利用者が次から次へと書架にない本を要求し続けたらどうなるでしょうか？司書は本を運び出す作業（ページイン/アウト）に忙殺され、利用者はいつまでも本を受け取れなくなります。これが、コンピューターにおける「スラッシング」の状態であり、スワッピングの頻発が引き起こす問題点です。

活用シーン

マルチタスク環境: 動画編集ソフト、大規模なブラウザ、開発環境など、複数のメモリを大量に消費するアプリケーションを同時に起動している場合、DRAM容量が不足します。このとき、OSは現在アクティブでないアプリケーションのページをスワップ領域に退避させ、アクティブなアプリケーションにDRAMを割り当てます。
リソース制限のあるサーバー: 物理メモリが限られている仮想化環境や古いサーバーでは、スワッピングはシステムのクラッシュを防ぐ最後の砦として機能します。ただし、性能を維持するためにはスワッピングが発生しないようにメモリを設計することが理想です。
スワップファイルの設定: Windowsにおける「ページファイル」やLinuxにおける「スワップパーティション」の設定は、OSがスワッピングを行うための補助記憶装置上の専用領域を確保していることを意味します。この設定が、仮想メモリ機能の土台となっています。

資格試験向けチェックポイント

スワッピングは、ITパスポート試験、基本情報技術者試験、応用情報技術者試験のいずれにおいても、「仮想メモリ」の概念を問う上で非常に頻出するテーマです。特に「ページングとスワップ」の文脈で、その目的とデメリットをしっかりと理解しておく必要があります。

最重要目的: スワッピングの目的は、物理メモリ（DRAM）の容量不足を補い、多重プログラミング環境を実現することです。この目的を問う問題は非常に多いです。
用語の明確な区別:
- ページング: メモリを固定長のブロック（ページ）に分割する技術そのものです。
- スワッピング: ページを主記憶と補助記憶装置間で入れ替える操作（ページイン/ページアウト）です。
- スラッシング: スワッピングが頻繁に起こりすぎた結果、ディスクアクセスがボトルネックとなり、システム性能が著しく低下する現象です。
- ページフォールト: CPUが要求したページがDRAM上に存在しない状態です。
スワッピングのデメリット: 補助記憶装置（ディスク）へのアクセスが必要となるため、処理速度が大幅に低下するという点を必ず覚えておきましょう。特に、DRAMとディスクの速度差（メモリ階層におけるアクセス時間の大きな差）が、この性能低下の根本原因です。
応用情報技術者試験対策: スラッシングが発生した場合の対策として、「物理メモリの増設」や「同時に実行するプロセスの数を減らす」といった具体的な対応策が問われることがあります。