バディシステム

2025年10月30日

バディシステム

英語表記: Buddy System

概要

バディシステムは、OSのメモリ管理において、プログラムに対して動的に主記憶（メインメモリ）を効率良く割り当てるための技術の一つです。特に、空きメモリ領域を常に2のべき乗サイズ（例：4KB, 8KB, 16KBなど）のブロックに分割・管理し、必要に応じて最小単位まで細分化し、不要になれば元のサイズに結合（マージ）し直す点が特徴的です。これにより、メモリの要求に柔軟に対応しつつ、後述する外部断片化の発生を効果的に抑制することを目指しています。この技術は、OSの基本機能の中でも特にメモリ割当の戦略を決定づける重要な役割を担っているのです。

詳細解説

バディシステムは、OSがプロセス（実行中のプログラム）からのメモリ要求に対応する際に使用する、洗練された動的メモリ割当方式です。この方式の主要な目的は、メモリの利用効率を高め、特に長期的な運用で問題となりがちな「外部断片化」を最小限に抑えることにあります。

動作原理と主要コンポーネント

バディシステムの中核となるのは、「バディ（相棒）」という概念と、メモリを2のべき乗サイズで管理するというルールです。

初期状態と分割（Allocation）:
- OSは、管理対象とするメモリ全体を、まず一つの巨大な2のべき乗サイズのブロックとして認識します。
- あるプロセスがメモリを要求すると、OSはその要求サイズを覆う最小の2のべき乗サイズ（例えば、5KBの要求なら8KB）を決定します。
- 要求されたブロックサイズに達するまで、現在のブロックを半分ずつ、等しいサイズの2つのブロックに分割していきます。この分割された2つのブロックがお互いの「バディ」と呼ばれます。
- 要求されたサイズのブロックが用意できたら、その一つをプロセスに割り当てます。
結合（Merging / Deallocation）:
- プロセスが終了し、割り当てられていたメモリが解放されると、OSは解放されたブロックの「バディ」（隣り合っていて、かつ同じサイズ、同じ親から分割されたブロック）が現在空いているかどうかを確認します。
- もしバディも空いている状態であれば、この二つのブロックを結合（マージ）し、元のサイズの大きなブロックに戻します。この結合操作を、さらに大きなブロックのバディが空くまで繰り返すことが可能です。

外部断片化の抑制

メモリ割当方式における大きな課題の一つが「外部断片化」です。これは、空きメモリが細切れになってしまい、個々の空き容量を合計すれば十分な大きさがあるにもかかわらず、連続した大きな領域がないために大きなサイズの要求に応えられなくなる現象です。

バディシステムでは、解放時に必ずバディとの結合を試みるため、断片化した小さな空き領域を自動的に大きな連続した領域へと修復（マージ）する機能が組み込まれています。これにより、他の動的割当方式と比較して、外部断片化の発生を効果的に抑制できるのが大きな利点です。

この仕組みは、私たちが今学んでいる「OSの基本機能（メモリ管理）におけるメモリ割当」の効率と安定性を劇的に向上させる、非常に巧妙な設計だと感じます。

処理速度の速さ

バディシステムは、空きブロックをサイズごとにリスト管理するのが一般的です。要求が来た際に、どのサイズのリストを見れば良いかがすぐにわかるため、空き領域を探す処理（サーチ）が非常に高速です。複雑な計算を行う必要がなく、迅速にメモリを割り当てられる点も、現代の高速なOS環境において高く評価されています。

具体例・活用シーン

バディシステムの概念は、現実世界の資源管理に例えると、非常に分かりやすくなります。

【アナロジー】ホテルの宴会場の仕切り

バディシステムを、大きなホテルの宴会場の管理に例えてみましょう。

ホテル全体: OSが管理するメインメモリ全体です。
基本ルール: 宴会場の大きさは、常に「2のべき乗」の定員（例：128人、64人、32人、16人）で設計されているとします。
要求と分割: 50人規模のパーティーの予約が入りました。この要求を満たす最小サイズは64人部屋です。
1. まず、ホテルで一番大きな128人部屋を確認します。
2. この128人部屋を、壁で仕切って、64人部屋を2つ作ります。この2つの64人部屋がお互いの「バディ」です。
3. 一方の64人部屋をパーティーに貸し出します。もう一方の64人部屋は空き部屋リストに入れます。
解放と結合: パーティーが終わり、64人部屋が空きました。
1. ホテルマネージャー（OS）は、この部屋の「バディ」（隣の64人部屋）を確認します。
2. もし隣の64人部屋も空いていたら、「壁を取り払って」元の128人部屋に戻します。
3. もし元の128人部屋のバディ（さらに隣の128人部屋）も空いていたら、それらも結合して256人部屋に戻す、という流れです。

このように、小さな要求で分割し、不要になったらすぐに合体させることで、常に大きな宴会場（連続した空きメモリ）を確保しようとするのが、バディシステムの核心的な動きなのです。これは、メモリ割当の効率性を維持するための、非常に賢い工夫だと感心させられますね。

活用シーン

バディシステムは、特に連続したメモリ領域を必要とするカーネル領域や、リアルタイム性が求められる環境での動的メモリ管理に採用されることがあります。高速な割当・解放処理と、外部断片化への耐性というメリットが、OSの根幹部分で非常に役立つのです。

資格試験向けチェックポイント

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において、メモリ管理の分野は頻出テーマです。バディシステムについては、特に他の割当方式（ページング、セグメンテーションなど）との比較や、その特徴を問う問題が出やすい傾向があります。

| ポイント | 詳細と対策 |
| :— | :— |
| キーワードの把握 | 「2のべき乗サイズでの管理」「動的メモリ割当」「外部断片化の抑制」「バディ（相棒）の結合・分割」は必須キーワードです。選択肢でこれらの言葉を見かけたら、バディシステムを連想しましょう。 |
| 外部断片化の対策 | バディシステムが外部断片化を抑制する仕組み（結合機能）は、頻繁に問われます。なぜ抑制できるのか、その理由（解放時にバディと結合するから）をしっかりと理解しておくことが重要です。これは、OSのメモリ割当戦略を理解しているかを図る良い指標となります。 |
| 内部断片化について | バディシステムは、要求サイズに合う最小の2のべき乗サイズを割り当てます（例：5KB要求でも8KB割り当てる）。この「余り」の部分は無駄になります。これを「内部断片化」と呼びます。バディシステムは外部断片化に強い反面、内部断片化は発生しやすいというトレードオフの関係を理解しておくと、応用的な問題にも対応できます。 |
| 他の方式との比較 | バディシステムは「動的割当」の一種です。固定区画方式（単純だが柔軟性がない）や、ページング（外部断片化をほぼ解消するが、管理オーバーヘッドが大きい）など、他のメモリ管理手法とのメリット・デメリットを対比して整理しておくと、知識が定着します。 |
| タキソノミとの関連 | バディシステムは、OSの「メモリ割当」における具体的な手法です。メモリの効率利用がOSの性能に直結することを意識して学習を進めると、記憶に残りやすいでしょう。 |