メモリコンパクション

2025年10月26日

メモリコンパクション

英語表記: Memory Compaction

概要

メモリコンパクションは、主記憶（DRAM）の空き領域を整理し、連続した大きな空きスペースを確保するためのOSによる管理技術です。プログラムが実行中にメモリの確保と解放を繰り返すと、メモリ空間には使用中のブロックと小さな未使用ブロックが混在する「断片化」が発生します。特に、小さな空き領域が多数散らばってしまう「外部断片化」を解消することが、この技術の最大の目的です。OSのメモリ管理機能として、システムの安定稼働と効率的なリソース利用を支える、非常に重要な役割を担っています。

詳細解説

OSのメモリ管理におけるコンパクションの必要性

私たちがこの概念を「メモリ階層（キャッシュ, DRAM, NVRAM） → メモリ管理と運用 → OS のメモリ管理」という文脈で捉えるとき、焦点となるのは、OSがいかにしてDRAM（主記憶）を有効活用するか、という点です。DRAMはCPUが直接アクセスする高速な記憶領域ですが、有限です。

プログラムが大きなデータ構造（例えば、巨大な配列やデータベースのバッファなど）を格納しようとした場合、たとえメモリ全体に十分な空き容量があったとしても、その空き容量が細かく分断されて散らばっていると、要求されたサイズの「連続した」領域を提供できません。これが「外部断片化」と呼ばれる現象です。この状態では、システムはメモリ不足ではないのに、要求に応えられず処理を停止してしまうことがあります。これは非常に非効率的で、なんとか避けたい事態です。

メモリコンパクションは、この外部断片化を根本的に解決するために実行されます。

動作原理とオーバーヘッド

コンパクションの基本的な動作は、使用中のメモリブロックを物理的に移動させることです。

移動対象の特定: まず、現在使用されているデータブロックを特定します。
ブロックの詰め込み: 特定されたブロックを、メモリ空間の一方の端（通常は先頭側）に隙間なく詰めて移動させます。
空き領域の統合: 結果として、メモリのもう一方の端に、移動によって生じた小さな空き領域がすべて統合され、一つの巨大な連続した空き領域が生まれます。

この動作は非常に効果的ですが、代償も伴います。それは「オーバーヘッド」です。データを移動させている間、OSはシステム全体の処理を一時的に停止させる必要があります。なぜなら、データ移動中に他のプロセスがそのデータにアクセスしようとすると、データの整合性が崩れてしまうからです。これを「ストップ・ザ・ワールド」と呼ぶこともあります。

したがって、メモリコンパクションは、メモリ利用効率を高める非常に強力な手段である一方、実行頻度や実行タイミングを慎重に選ばなければ、ユーザー体験やシステムのリアルタイム性能に悪影響を及ぼしてしまう、デリケートな管理手法なのです。

具体例・活用シーン

具体的なアナロジー：駐車場整理の物語

メモリコンパクションの仕組みを理解するために、少し親しみやすい「駐車場整理」の物語を考えてみましょう。

ある巨大な駐車場（これがDRAM全体だとします）があります。朝から晩まで、車（データブロック）が出入りを繰り返しています。

断片化の発生: 昼過ぎ、駐車場は満車ではありませんが、車と車の間に空きスペースがいくつもできてしまいました。空いているのは、1台分、2台分といった小さなスペースばかりです。
問題発生: そこへ、巨大なバス（大きな連続したメモリ要求）がやってきました。「私は5台分のスペースが必要です！」と要求します。駐車場全体には合計で10台分の空きがあるのに、連続した5台分のスペースはどこにもありません。バスは駐車できず、帰ってしまいました。これが「外部断片化」です。
コンパクションの実行: 管理人（OS）は決断します。一時的に駐車場の入り口を閉鎖し（ストップ・ザ・ワールド）、警備員（カーネルのコンパクションルーチン）が動き出します。警備員は、駐車中の車をすべて端っこ（壁側）に順番に詰めて移動させます。
結果: 車がすべて一箇所に集められた結果、駐車場の残りの半分が、まるごと連続した巨大な空きスペースになりました。これで、次に5台分のスペースを求めるバスが来ても、スムーズに対応できるわけです。

このように、メモリコンパクションは、断片的に存在する資源を再配置し、大きな要求に応えられるようにする「大がかりな整理整頓」だと思っていただけると、その目的と動作がスッキリ理解できるかと思います。

実際の活用シーン

メモリコンパクションは、特にJavaやC#などの、ガベージコレクション（GC）機能を持つ言語のランタイム環境で頻繁に利用されます。GCが不要になったオブジェクトのメモリを解放した後、その空き領域を効率的に再利用するために、コンパクション処理が組み込まれています。これにより、アプリケーションが長期にわたり稼働しても、メモリの外部断片化による性能低下を防いでいるのです。

資格試験向けチェックポイント

メモリコンパクションは、OSのメモリ管理に関する知識を問う、特に基本情報技術者試験や応用情報技術者試験で頻出するテーマです。

最大の目的の理解:
- メモリコンパクションの目的は、「外部断片化の解消」と「大きな連続空き領域の生成」である、と明確に覚えておきましょう。これは、内部断片化（ページング方式などで発生する、ブロック内の未使用領域）とは対比されます。
動作とコスト:
- コンパクションは、データを「移動」させる処理であり、これにはCPU時間やI/Oリソースが消費されるため、「オーバーヘッド」が発生することを理解しておく必要があります。このオーバーヘッドは、システムの応答性能に影響を与えるため、試験ではトレードオフの観点から問われることがあります。
関連技術との区別:
- 仮想記憶を実現する「ページング」や「セグメンテーション」は、メモリの論理的な管理手法ですが、コンパクションは物理的な配置を最適化する手法です。混同しないように、それぞれの定義をしっかりと区別してください。
出題パターン:
- 「外部断片化を解消する手段として最も適切なものはどれか？」という形式や、「データの移動に伴うコストを説明した記述として正しいものはどれか？」といった、動作の副作用に関する問いが典型的なパターンです。