Demand Paging（デマンドページング）

2025年10月25日

Demand Paging（デマンドページング）

英語表記: Demand Paging

概要

デマンドページングは、仮想記憶管理システムにおいて、プログラム実行に必要なメモリページを、実際に必要になった時点（要求があった時点）で主記憶（DRAM）にロードする手法です。これは、プログラム全体を事前に主記憶に読み込む従来の方法とは異なり、主記憶の利用効率を劇的に向上させるための非常に賢い仕組みだと私は感じています。具体的には、「ページングとスワップ」のメカニズムを最大限に活用し、システムの起動時間短縮や、より多くのプロセスを同時に実行可能にすることを目的としています。

詳細解説

デマンドページングは、「メモリ階層（キャッシュ, DRAM, NVRAM）」の中で、特に高速だが容量に限りがあるDRAMをいかに有効活用するかという課題に対する、仮想メモリシステムの核心的な解決策の一つです。

動作原理と目的

仮想メモリシステム（「仮想メモリとアドレッシング」のカテゴリに含まれますね）では、プログラムが主記憶（DRAM）よりも遥かに大きな仮想アドレス空間を使用できます。この仮想アドレス空間は「ページ」という単位に分割され、必要に応じて補助記憶（ストレージ）との間で移動（スワップ）されます。

デマンドページングの最大の目的は、主記憶の有効利用とI/Oオーバーヘッドの最小化です。プログラムの実行開始時に、すべてのページをDRAMに読み込む必要はありません。なぜなら、プログラムの実行には「局所性の原理」が働くからです。つまり、ある短い期間にアクセスされる命令やデータは、アドレス空間のごく一部に集中する傾向があるのです。

デマンドページングでは、プログラムの実行が開始されても、対応するページはすべて補助記憶上に置かれたままです。そして、CPUが特定の仮想アドレスにアクセスしようとした際、そのアドレスに対応するページがDRAM上に存在しない場合、これをページフォールト（Page Fault）と呼びます。

このページフォールトが発生したときに初めて、オペレーティングシステム（OS）は該当するページを補助記憶からDRAMに読み込みます。これが「デマンド（要求）」に基づいたページング、すなわちデマンドページングの核心的な動作です。プログラムが必要とする部分だけをその都度読み込むため、無駄が少ない、非常に洗練された方法だと言えるでしょう。

ページテーブルと制御

デマンドページングを支える主要コンポーネントは、仮想アドレスと物理アドレスのマッピングを管理するページテーブルです。ページテーブルのエントリには、そのページが現在DRAMに存在するかどうかを示すプレゼンスビット（Presence Bit / 存在ビット）が含まれています。

CPUが仮想アドレスにアクセスします。
OSはページテーブルを参照し、プレゼンスビットを確認します。
プレゼンスビットが「0」（非存在）の場合、ページフォールトが発生します。
OSはCPUの実行を中断し、ページフォールトハンドラを起動します。
ハンドラは、補助記憶から必要なページを探し出し、DRAMの空いているフレームにロードします。
ページテーブルのエントリ（プレゼンスビットや物理アドレス）を更新します。
中断された命令を再開します。

この一連の流れが、デマンドページングを支えています。ページフォールトが発生すると一時的に処理が遅延しますが、全体として見れば、必要な分だけをロードするため、システム全体のパフォーマンス向上に寄与しているのです。

特に、多くのプログラムが起動時、初期化処理に時間がかかるだけで、実際に使われるコードはごく一部というケースが多々あります。デマンドページングは、そのような無駄を省くのに非常に効果的だと評価できます。

具体例・活用シーン

デマンドページングの概念は、私たちが日常的に体験している、ある種の「整理術」に非常によく似ています。この手法が「ページングとスワップ」の効率化に貢献していることを実感できる例を挙げてみましょう。

プログラムの遅延ロード（Lazy Loading）:
現代のOS（Windows, macOS, Linuxなど）は、すべてデマンドページングを採用しています。例えば、非常に大きなアプリケーションを起動したとき、すぐにすべての機能を使うわけではありませんよね。デマンドページングのおかげで、OSはまずプログラムの起動に最低限必要なコード（ページ）だけをDRAMに読み込みます。ユーザーが特定の機能（例えば、ヘルプ画面や高度な編集ツール）をクリックしたときに初めて、その機能に必要なページがロードされます。これにより、体感的な起動速度が向上し、「このアプリ、起動が速いな！」と感じるわけです。
【アナロジー】巨大図書館の予約システム
デマンドページングを理解する上で、私は巨大な図書館を想像するのが一番わかりやすいと思っています。
図書館（補助記憶）には、膨大な数の本（ページ）が収蔵されています。あなたの机（DRAM/主記憶）は限られたスペースしかありません。
従来のページングシステム（プリフェッチングなど）は、「このプロジェクトをやるなら、関連する本を全部、机に積んでおこう！」と考えるイメージです。机の上はすぐに本でいっぱいになり、本当に必要な本を探すのに苦労します。
一方、デマンドページングは、非常に合理的なアプローチです。あなたはまず、作業開始に必要な目次と最初の数ページ（最低限のページ）だけを机に出します。作業を進めていて、「あっ、次は第5章のこの情報が必要だ！」と要求（デマンド）が発生したとき、初めて図書館の書架に行ってその本を取り出し、机に置きます（ページフォールトとロード）。
もし机がいっぱいになったら、しばらく使っていない本（ページ）を一時的に書架の返却棚（スワップアウト）に戻します。
このシステムのおかげで、机の上は常に今必要な本で整理されており、あなたは限られたリソース（DRAM）を最大限に活用できるのです。これは、「メモリ階層」におけるDRAMの役割を最適化する素晴らしい例だと言えるでしょう。

資格試験向けチェックポイント

デマンドページングは、基本情報技術者試験や応用情報技術者試験において、「仮想メモリとアドレッシング」の具体的な実装方法として頻出するテーマです。ITパスポート試験でも、仮想記憶の仕組みを問う文脈で出題されることがあります。

ページフォールトの理解 (必須):
デマンドページングの動作のトリガーとなるのがページフォールトです。「ページフォールト＝エラー」ではなく、「必要なページがDRAMにないため、OSにロードを要求するイベント」であることを正確に理解することが重要です。この用語の定義と、発生時のOSの動作（スワッピング処理）は必ず押さえてください。
局所性の原理との関連:
なぜデマンドページングが有効なのか？その理論的根拠は「局所性の原理（時間的局所性、空間的局所性）」に基づいているという点が問われます。この原理があるからこそ、必要なページだけを読み込んでも、高い確率で次のアクセスがDRAM内でヒットすることが期待できるのです。
スラッシング（Thrashing）との関係:
デマンドページングは効率的ですが、DRAM容量に対して実行中のプロセスが要求するメモリ量が多すぎると、ページフォールトが頻繁に発生し、OSがページイン・ページアウトの処理（スワップ）ばかりに時間を費やしてしまう現象が発生します。これがスラッシングです。デマンドページングの利点と、その限界点（スラッシング）をセットで理解しておくことが、応用的な知識として問われます。これは「ページングとスワップ」の効率性を測る重要な指標です。
遅延ロード（Lazy Loading）:
デマンドページングは、プログラムの実行に必要なページを遅延してロードする手法である、という記述を正誤問題で問われることがあります。初期ロードの高速化に寄与するメリットを覚えておきましょう。