アドレス空間

2025年10月15日

アドレス空間

英語表記: Address Space

概要

アドレス空間とは、コンピュータのOS（オペレーティングシステム）が個々のプログラム（プロセス）に対して提供する、仮想的なメモリの配置図のことです。これは、プログラムが利用できるメモリ領域の範囲と構造を定義した概念的な枠組みであり、物理的なメモリ（RAM）が実際にどこに配置されているかを意識させないための「抽象化レイヤ」として機能します。この仕組みがあるおかげで、各プログラムは自分専用の広大なメモリを持っているかのように振る舞うことができ、他のプログラムのデータに干渉することなく安全に動作できるのです。

詳細解説

アドレス空間は、「ハードウェアとソフトウェアの関係」という大きな枠組みの中で、OSが提供する「メモリ抽象化」の核心を担っています。もしOSがこの抽象化を行わなければ、すべてのプログラムは物理メモリ上の同じ場所を取り合うことになり、データの衝突やセキュリティ上の問題が避けられません。

目的とメカニズム

アドレス空間の最大の目的は、「プロセスの分離（隔離）」と「メモリ管理の効率化」です。

プロセスの分離（セキュリティ）:
各プロセスは、自分専用の仮想的なアドレス空間を持ちます。プロセスAがアドレス100番地に書き込んでも、それはプロセスBのアドレス100番地とは全く別の物理的な場所にマッピングされます。これにより、あるプログラムのバグや暴走が、他の重要なシステムプロセスやユーザーデータに影響を与えるのを防ぐことができます。これは、OSが提供するセキュリティと安定性の土台になっている、非常に重要な機能だと私は感じています。
メモリ管理の効率化:
物理メモリは、起動中の様々なプログラムやOS自身によって断片化され、空き容量がバラバラになりがちです。しかし、アドレス空間のおかげで、プログラムは常に連続した、きれいなメモリ空間を持っていると錯覚できます。OSは、ページテーブルと呼ばれる変換表を用いて、プログラムが指定した「仮想アドレス」を実際の「物理アドレス」に動的に変換します。この変換作業は、MMU（Memory Management Unit：メモリ管理ユニット）というハードウェアによって高速に実行されます。このMMUの存在こそが、アドレス空間というソフトウェアの概念を、高速な処理として実現する鍵なのです。

構成要素

アドレス空間は、通常、以下のような領域に分割されて構成されます。

テキスト領域 (Text Segment): プログラムの実行コードが格納されます。通常、読み取り専用（リードオンリー）です。
データ領域 (Data Segment): グローバル変数や静的変数など、プログラム実行中に値を変更する可能性のあるデータが格納されます。
ヒープ領域 (Heap Segment): プログラム実行中に動的に確保・解放されるメモリ領域です（例：mallocなどで確保されるメモリ）。
スタック領域 (Stack Segment): 関数呼び出し時のローカル変数や戻りアドレスなどが格納されます。

これらの領域は、プロセスごとに独立した仮想的なアドレスで管理されるため、OSによるメモリ抽象化が成功していると言えるわけです。この構造を理解しておくと、プログラムの動作原理がぐっと分かりやすくなりますよ。

具体例・活用シーン

アドレス空間の概念を理解するために、私はよく「高層マンションの住所録」のメタファーを使います。

アナロジー：高層マンションの住所録

巨大な高層マンション（これが物理メモリ全体）には、何百もの部屋（物理アドレス）が実際に存在しています。このマンションには、多くの住人（プロセス）が住んでいます。

もし住人全員が物理的な部屋番号（例：地下の倉庫A、3階の305号室）を直接指定して生活したら、管理は大変ですし、隣の部屋に間違って入ってしまうかもしれません。

ここで登場するのが、アドレス空間です。

仮想的な住所録の配布:
マンションの管理会社（OS）は、新しい住人（プロセス）が引っ越してくるたびに、その住人専用の「仮想的な住所録」を渡します。この住所録には、必ず「リビング」「寝室」「書斎」といった、住人にとって分かりやすい、連続した仮想的な部屋番号（例：101番、102番、103番）が記載されています。これがアドレス空間です。
住所の変換:
住人Aが「101番（リビング）に行く」と指定しても、実際にその住人が物理的にどこにいるかは気にしません。住人Aの「101番」は、管理会社が持つマスターリスト（ページテーブル）によって、マンションの実際の空いている部屋（例：7階の712号室）に変換されて案内されます。
分離の確保:
住人Bもまた、自分専用の住所録で「101番（リビング）」を指定します。しかし、管理会社は、住人Bの「101番」を、住人Aとは全く別の物理的な部屋（例：2階の201号室）に案内します。

このように、各住人（プロセス）は、自分専用の美しい、整然とした住所録（アドレス空間）を見ているだけで、物理的な部屋（物理メモリ）が他の住人と混ざり合っていても、全く影響を受けません。これが、OSによるメモリ抽象化の素晴らしさであり、アドレス空間の具体的な役割なのです。

資格試験向けチェックポイント

アドレス空間は、ITパスポート、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、メモリ管理の基礎として頻出する重要テーマです。特に「OSによる抽象化」の文脈で問われます。

仮想記憶の基礎概念: アドレス空間は、仮想記憶（仮想メモリ）を実現するための基盤です。仮想記憶とは何か、その目的（主記憶容量の不足を補う）と、アドレス空間の役割（プロセスの独立性の確保）を明確に区別して理解しておきましょう。
仮想アドレスと物理アドレス:
- プログラムが指定するアドレスは「仮想アドレス」であること。
- 実際に物理メモリ上の場所を示すのが「物理アドレス」であること。
- この変換を行うのがMMU（メモリ管理ユニット）であり、ページテーブルが変換表として使われる、という一連の流れを暗記してください。
プロセスの独立性: 「アドレス空間がプロセスごとに独立しているため、あるプロセスが不正なメモリ操作を行っても、他のプロセスに影響を与えない」という安全性の側面が、選択肢問題でよく問われます。これは、アドレス空間が「OSによる抽象化レイヤ」として機能している最大のメリットです。
ページング方式: 仮想記憶の実現方式として、ページング（ページ単位で管理）が最も一般的です。アドレス空間を固定長の「ページ」に分割し、物理メモリを「フレーム」に分割して対応付ける仕組みを理解しておくと、応用レベルの設問にも対応できます。