セグメンテーション

2025年10月30日

セグメンテーション

英語表記: Segmentation

概要

セグメンテーションは、OSのメモリ管理機能において、仮想記憶を実現するための重要な手法の一つです。プログラムを、プログラマが意図した論理的な意味を持つ単位（セグメント）に分割し、メモリを割り当てる方式を指します。これにより、コード、データ、スタックといった機能ごとのまとまりを保ったまま、効率的かつ安全にメモリを使用できるようになります。

詳細解説

セグメンテーションは、私たちが現在利用しているOSの基本機能の中でも、特に「メモリ管理」の抽象化レベルを上げるために非常に重要な役割を果たしています。仮想記憶の仕組みを考える際、セグメンテーションは「ページング」と並ぶ二大管理方式として位置づけられています。

目的：論理構造の維持

ページングがプログラムを物理的に均一な固定サイズのブロック（ページ）に機械的に分割するのに対し、セグメンテーションの最大の目的は、プログラムの論理的な構造を維持することにあります。例えば、あるプログラムには「メインルーチン」「サブルーチンA」「グローバルデータ領域」「スタック領域」といった異なる機能を持つ部分がありますよね。セグメンテーションでは、これらの論理的なまとまり一つひとつを「セグメント」として扱います。

この論理的な分割のおかげで、OSはセグメントごとに異なるアクセス権（例：コードは実行のみ、データは読み書き可能）を設定でき、他のセグメントからの不正なアクセスを防ぐメモリ保護を容易に実現できるのです。これは、OSの基本機能として、複数のプロセスが安全に共存するために欠かせない要素です。

動作原理とアドレス変換

セグメンテーション環境下では、CPUが生成する仮想アドレスは、「セグメント番号」と「セグメント内での変位量（オフセット）」の二つの要素で構成されます。

セグメントテーブルの参照: OSは、各プロセスに対して「セグメントテーブル」を用意します。
物理アドレスの特定: CPUは仮想アドレスを受け取ると、まずセグメント番号を使ってセグメントテーブルを参照します。テーブルには、そのセグメントが物理メモリ上のどこから始まっているかを示す「ベースアドレス」が記録されています。
アドレスの計算: 物理アドレスは、「ベースアドレス」＋「オフセット」として計算されます。
保護チェック: さらに、セグメントテーブルにはそのセグメントの最大サイズを示す「リミット（限界値）」も記録されています。OSは、オフセットがリミットを超えていないかを確認し、超えている場合は不正アクセスとして処理を中断します。これにより、あるプログラムが意図せず他のセグメントやOSの領域を破壊してしまうことを防ぎます。

ページングとの対比：可変長の功罪

セグメンテーションの最も大きな特徴は、セグメントが可変長である点です。コード領域のサイズはプログラムによって異なりますし、スタック領域のサイズは実行中に変化しますよね。セグメンテーションはこの自然なサイズの変化に対応できるため、メモリの無駄（内部断片化）が発生しにくいという大きなメリットがあります。

しかし、この可変長が故に、致命的な問題も引き起こします。それが外部断片化です。

想像してみてください。様々なサイズのセグメントがメモリにロードされ、終了するたびに解放されます。すると、メモリ全体に小さな空き領域が点在するようになります。たとえ空き領域の合計が十分にあったとしても、要求された大きなセグメントを格納できるだけの「連続した」空き領域がない場合、そのセグメントをロードできなくなってしまいます。これが外部断片化です。

この外部断片化の問題を解決するためには、OSが定期的にメモリを再配置（コンパクション）しなければならず、処理コストが非常に高くなります。そのため、現代の多くのOSでは、ページングの固定長管理と、セグメンテーションの論理的構造維持という、それぞれの長所を組み合わせた「セグメンテーション・ページング複合方式」が採用されることが多いのです。

このように、セグメンテーションは、単なるメモリ割り当て技術ではなく、プログラムの構造を理解し、安全かつ柔軟に管理しようとするOSの「仮想記憶」機能の理想形を示していると言えます。

具体例・活用シーン

セグメンテーションの概念を理解するために、身近な例で考えてみましょう。

比喩：巨大なレシピ本と付箋

私たちが使っているプログラム全体を、非常に分厚い巨大なレシピ本だと想像してください。

ページング方式の場合

ページングは、このレシピ本を「すべてのページを均一な厚さのブロックに切り刻み、箱に詰めて管理する」ようなものです。どこが前菜のレシピで、どこがデザートのレシピか、という論理的な意味は失われますが、管理者は決まったサイズの箱だけを扱えば良いため、管理は非常にシンプルになります。

セグメンテーション方式の場合（論理的な管理）

セグメンテーションは違います。このレシピ本を、内容のまとまりごとに付箋（インデックス）をつけて管理します。

セグメント1：基礎の調理法（コード領域）
セグメント2：前菜のレシピ集（特定のデータ領域）
セグメント3：デザートのレシピ集（別のデータ領域）
セグメント4：調理中にメモするスペース（スタック領域）

それぞれのセグメント（レシピ集）は、必要な分だけサイズが異なります（可変長）。管理者は、付箋に「このレシピ集は本棚のどこから始まるか（ベースアドレス）」と「このレシピ集はどこまでか（リミット）」を書き込んでおきます。

料理中に「デザートのレシピの3ページ目（オフセット）」が必要になったら、まず「デザートのレシピ集（セグメント番号）」の付箋を見て、本棚の場所を特定し、そこから3ページ進めば良いわけです。

もし誰かが誤って「基礎の調理法（セグメント1）」にメモを書き込もうとしたら、OSは「ここは実行専用のコード領域ですよ」と警告を出し、アクセスを拒否します。このように、セグメンテーションは、プログラムの論理的な役割を尊重した、非常に人間的な管理方法なのです。

活用シーン

共有メモリの実現: サブルーチンや共通ライブラリなどのセグメントを複数のプロセスで共有することが容易になります。例えば、OSが提供する共通関数群（ライブラリ）を一つのセグメントとしてメモリ上に配置し、複数のアプリケーションがそのセグメントを参照するだけで済むため、メモリ効率が向上します。
動的リンキング: 必要なセグメントを実行時に動的にロードする仕組みと相性が良く、プログラムの柔軟性が高まります。
メモリ保護: セグメントごとにアクセス権限（読み取り、書き込み、実行）を設定できるため、堅牢なセキュリティ境界を提供します。

これらの機能はすべて、OSの基本機能である「メモリ管理」が、アプリケーションの要求に対して柔軟かつ安全に応えるために設計された結果なのです。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート、基本情報技術者、応用情報技術者の試験において、セグメンテーションは、仮想記憶の実現方式としてページングとの比較で頻繁に出題されます。特に以下のポイントを意識して学習してください。

最重要対比ポイント: 「セグメンテーション＝可変長＝論理的」と、「ページング＝固定長＝物理的」という関係性を必ず覚えてください。外部断片化と内部断片化のどちらが発生しやすいかも、この固定長・可変長の違いから理解できます。
アドレス変換の仕組み: 仮想アドレスが「セグメント番号」と「オフセット」に分かれていることを理解し、セグメントテーブルがベースアドレスとリミット（限界値）を保持している役割を問われることがあります。リミットによるチェックが、メモリ保護の基本的な仕組みであることを押さえておきましょう。
複合方式の理解: 現代のOSが抱える外部断片化の問題を解決するために、セグメンテーションの論理構造維持の利点と、ページングの物理管理の利点を組み合わせた「セグメンテーション・ページング複合方式」が出題されることもあります。

これらの知識は、OSの基本機能としてのメモリ管理の仕組みを深く理解しているかを確認するための、応用情報技術者試験などで特に重要になります。