ページフォールト処理

2025年10月14日

ページフォールト処理

英語表記: Page Fault Handling

概要

ページフォールト処理とは、仮想記憶システムが動作するコンピュータにおいて、制御装置の一部であるメモリ管理ユニット（MMU）が、CPUからのメモリアクセス要求を処理する際に、要求されたデータ（ページ）が現在主記憶（物理メモリ）上に存在しないことを検知した場合に、その後のデータ転送と実行再開を司る一連の制御動作を指します。これは、プログラムの実行を中断させることなく、必要なデータを補助記憶装置（ストレージ）から主記憶へ自動的に読み込み（ページイン）、処理を再開させるために不可欠な、OSとMMUが連携して行う高度なメモリ管理技術です。この仕組みのおかげで、私たちは物理メモリの容量をはるかに超える巨大なプログラムもスムーズに実行できるのですから、本当に素晴らしい技術だと思います。

詳細解説

ページフォールト処理は、「コンピュータの構成要素」の中でも、特に「制御装置（命令の解釈と制御信号）」の中核を担う「MMU」がトリガーとなり、OSと協力してシステム全体の安定性と効率性を維持する、非常に重要な機能です。

ページフォールトの発生とMMUの役割

仮想記憶システムでは、プログラムが使用するアドレス（論理アドレス）と、実際にデータが格納されている場所（物理アドレス）は異なります。CPUが命令を実行する際、論理アドレスがMMUに入力されると、MMUはページテーブルを参照して対応する物理アドレスを検索します。

このページテーブルには、各ページが現在主記憶に存在するかどうかを示す「存在ビット（Present Bit）」が含まれています。もしCPUがアクセスしようとしたページに対応する存在ビットが「0」（非存在）であった場合、MMUは直ちにCPUへの命令実行を停止させ、ページフォールトという特殊な例外（トラップ）を発生させます。これは、MMUがOSに対して「必要なデータが物理メモリにないので、制御を引き継いで処理してください」と信号を送る、まさに「制御」の中心的な役割です。

処理の具体的な流れ（制御装置の動作）

MMUによってページフォールトが引き起こされると、制御の流れはOS（オペレーティングシステム）のメモリ管理機能に移ります。OSは、次に示すような複雑な手順を経て、プログラムの実行を再開させます。

中断と状況確認: OSは、ページフォールトが発生した命令のアドレスや、要求されたページのアドレスなど、現在のCPUの状態を保存します。
空き領域の確保（ページ置換）: OSはまず主記憶に空きフレーム（ページを格納する領域）があるか確認します。もし空きがない場合、OSは現在主記憶にあるページの中から、今後最も使われないと予測されるページ（犠牲者）を特定のアルゴリズム（LRUやFIFOなど）に基づいて選び出し、そのデータを補助記憶装置へ書き戻します（スワップアウト）。この判断と実行もまた、OSによる高度な制御の一環です。
データ転送（ページイン）: 犠牲者を選定して空き領域を確保した後、OSは要求されたページを補助記憶装置から主記憶の空いたフレームに読み込みます。このI/O処理は、システムの中で最も時間がかかる部分です。
ページテーブルの更新: データが主記憶にロードされたら、OSはMMUが参照するページテーブルを更新し、該当するエントリの存在ビットを「1」（存在）に設定し、新しい物理アドレスを記録します。
命令の再実行: すべての準備が整った後、OSは中断されていたCPUの命令を最初から再実行させます。MMUは今度は更新されたページテーブルを参照するため、正常に物理アドレスに変換でき、プログラムは処理を続行します。

この一連の処理は、限られた物理メモリ資源を最大限に活用し、あたかも無限のメモリがあるかのように見せる「仮想記憶」の根幹を成しています。MMUが迅速にフォールトを検知し、OSが適切に制御することで、システム全体の性能が保たれているのです。

具体例・活用シーン

ページフォールト処理は、私たちが普段使用しているコンピュータの裏側で常に働いている、目に見えないヒーローのような存在です。

具体例：重いアプリケーションの起動

私たちが動画編集ソフトや大規模なゲームなど、非常にメモリを消費するアプリケーションを起動したとき、物理メモリの容量を超えても動作するのは、このページフォールト処理のおかげです。

アプリケーションは起動時に大量のメモリを要求しますが、OSはすべてのデータを物理メモリに載せる必要はありません。必要な部分だけをまず載せます。
ユーザーがアプリケーションの特定機能（例えば、特殊なエフェクト）を使おうとして、その機能に対応するデータが物理メモリにない場合、ページフォールトが発生します。
MMUがそれを検知し、OSが補助記憶から必要なデータだけをピンポイントで物理メモリに読み込みます。
ユーザーは一瞬の遅延を感じるかもしれませんが、アプリケーションはクラッシュすることなく動作を続けることができます。

アナロジー：高級レストランの食材管理

ページフォールト処理を理解するために、高級レストランのシェフ（CPU）と食材管理スタッフ（MMU/OS）のアナロジーを考えてみましょう。

シェフは多くの料理（プログラム）を同時に作っていますが、調理台（物理メモリ）は限られています。冷蔵庫（補助記憶）にはすべての食材（データ）が保管されています。

注文（命令）: シェフが「キャビア（特定のデータページ）が必要だ！」と要求します。
確認（MMUの参照）: 食材管理スタッフ（MMU）が調理台の上（物理メモリ）を探しますが、キャビアが見当たりません。「フォールト発生！」
処理（OSの制御）: スタッフはシェフの調理を一時停止させます。
置き換え（ページ置換）: もし調理台がいっぱいだったら、今一番使っていない食材（例えば、昨日の付け合わせのパセリ）を冷蔵庫に戻します。
調達（ページイン）: スタッフは冷蔵庫に走り、新鮮なキャビアを調理台に持ってきます。
再開: スタッフはシェフに調理を再開するように伝えます。

この迅速かつ賢明な食材管理のおかげで、シェフは調理台の容量を気にすることなく、巨大なメニューを次々とこなすことができるのです。このスタッフの緻密な制御こそが、ページフォールト処理の本質です。

資格試験向けチェックポイント

IT系の資格試験、特に基本情報技術者試験や応用情報技術者試験では、仮想記憶の仕組みと、その性能に直結するページフォールト処理に関する知識が頻繁に問われます。この概念が「コンピュータの構成要素」における「制御装置」の機能であることをしっかりと押さえておきましょう。

ページフォールト発生時の主体と処理の主体:
- 発生の検知: MMU（メモリ管理ユニット）がページテーブルの存在ビットを参照して検知し、トラップを発生させます。
- 処理の実行: OS（オペレーティングシステム）のメモリ管理機能が制御を引き継ぎます。
処理の目的: 補助記憶装置（ディスク）と主記憶装置（RAM）の間で、必要なデータ（ページ）の入れ替え（ページングまたはスワッピング）を行うことで、仮想記憶を実現し、プログラムの実行を継続させることです。
ページ置換アルゴリズムの役割: ページフォールト処理において、空き領域がない場合にどのページを主記憶から追い出すか（スワップアウトするか）を決定するための制御手法です。（例：LRU（Least Recently Used）、FIFO（First-In, First-Out）など）
スラッシング（Thrashing）: ページフォールトが頻繁に発生しすぎた結果、システムがデータの入れ替え（ページイン/ページアウト）ばかりに時間を費やし、実質的な処理が進まなくなる現象です。これは、制御装置が命令実行よりもメモリ管理の制御に忙殺されている状態を指し、仮想記憶システムの性能劣化の典型的な例として出題されます。
ページテーブルエントリの役割: ページテーブル内の「存在ビット」や「変更ビット（ダーティビット）」など、MMUが参照する情報が、フォールト処理の制御にどのように使われるかを理解しておくことが重要です。