ページフォールト

2025年10月30日

ページフォールト

英語表記: Page Fault

概要

ページフォールトとは、OSが提供する仮想記憶システムにおいて、CPUがアクセスしようとしたデータ（ページ）が、現在主記憶（RAM）上に存在せず、補助記憶装置（ディスク）に格納されている場合に発生する特殊な割り込み（トラップ）のことです。これはシステムエラーではなく、必要なデータをディスクからRAMへ読み込む（ページイン）ためのOSへの通知メカニズムとして機能します。この仕組みこそが、限られた主記憶を効率的に利用し、物理メモリ以上の大容量を扱える仮想記憶を実現する鍵なのです。ページフォールトは、OSの基本機能であるメモリ管理における、最も重要な動的処理の一つと言えるでしょう。

詳細解説

ページフォールトは、OSの基本機能の中でも特にメモリ管理、その中でも中核をなす仮想記憶の動作原理を理解する上で、非常に重要な概念です。仮想記憶は、プログラムが物理メモリのサイズに縛られることなく、広大なアドレス空間を使用できるようにするための技術です。

仮想記憶とページングの前提

仮想記憶システムでは、「ページング」という手法を用います。プログラムが使用するアドレス空間（仮想アドレス）を一定のサイズ（ページ）に分割し、主記憶（物理メモリ）も同じサイズの区画（フレーム）に分割して管理します。どの仮想ページがどの物理フレームに対応しているかは、「ページテーブル」という管理表に記録されています。

プログラムが実行され、CPUが仮想アドレスを使ってデータにアクセスしようとすると、メモリ管理ユニット（MMU）はまずページテーブルを参照し、アドレス変換を試みます。

ページフォールトの発生メカニズム

ここで、アクセスしようとしているページに対応するページテーブルエントリに、「現在主記憶に存在しない」ことを示すフラグ（有効/無効ビットなど）が立っている場合、ページフォールトが発生します。

このページフォールトが発生すると、CPUは通常の処理を中断し、OSのカーネルに制御を移す「トラップ」（ソフトウェア割り込みの一種）として処理されます。OSが制御を受け取ると、以下の手順でページフォールトを解消し、システムが正常に動作を継続できるようにします。

発生ページ特定: OSは、どの仮想ページが必要とされているのかを特定します。
空きフレームの確保: 主記憶（RAM）内にデータを読み込むための空きフレームを探します。もし空きがない場合は、OSが採用している置換アルゴリズム（LRUやFIFOなど）に基づき、現在使用頻度の低い、または変更されていないページを主記憶から選び出し、補助記憶に書き戻す処理（ページアウト）を行います。
ページイン処理: 補助記憶（ディスク）から、必要なページの内容を確保したフレームに読み込みます。このディスクアクセスが、ページフォールト処理のボトルネックになりがちです。
ページテーブル更新: 読み込みが完了したら、ページテーブルの該当エントリを更新し、「主記憶に存在する」状態（有効）に変更します。
処理再開: ページフォールトが発生した原因となった命令を最初から再実行させます。今度はページテーブルが更新されているため、アクセスは成功します。

このように、ページフォールトは「データが必要になったがRAMにない」という状況をOSに知らせ、遅延ロード（On-demand Paging）を実現するための、非常に賢い仕組みなのです。この動的なメモリ管理こそが、仮想記憶がメモリ管理において不可欠な技術である理由です。

ページフォールトが多発すると、ディスクアクセスが頻繁に発生し、システムの処理速度が極端に低下します。これは「スラッシング」と呼ばれ、メモリ管理の効率が落ちているサインであり、システム管理者としては避けたい状況です。

具体例・活用シーン

ページフォールトは、私たちが普段利用しているアプリケーションの裏側で、常に発生している現象です。特に大きなプログラムを起動したり、多くのアプリケーションを同時に立ち上げたりするときに、この仕組みが活躍しています。

大規模アプリケーションの起動の最適化: 例えば、巨大なデータベースソフトウェアや、複雑な機能を多数持つ統合開発環境（IDE）を起動する場合を考えてみましょう。OSは、必要な機能すべてを最初からRAMに読み込むわけではありません。実際に利用する最低限の部分だけをRAMに置き、それ以外のデータは補助記憶に残しておきます。ある機能（例えば、特定のデバッグツール）が初めて呼び出されたとき、その機能に必要なデータがRAMにないためページフォールトが発生し、OSが遅れてデータを読み込みます。これにより、起動時間を短縮し、メモリを効率的に使えます。
メモリ過負荷時の救済措置: システムの物理メモリ（RAM）が限界に近づいたとき、OSはしばらく使われていないデータをディスクに退避させます（ページアウト）。その後、退避させたデータにアクセスが必要になった瞬間にページフォールトが発生し、再びRAMに戻されます。この柔軟な入れ替えのおかげで、ユーザーは複数の重いアプリケーションを同時に動かせているように感じられるのです。

アナロジー：巨大な図書館の蔵書管理

ページフォールトを理解するための良いメタファーは、「巨大な図書館の蔵書管理」です。このメタファーは、仮想記憶の「必要なものを必要な時に」という思想をよく表しています。

この図書館（コンピュータシステム）は非常に大きく、すべての本（データページ）を書架（主記憶/RAM）に並べるスペースはありません。そこで、使用頻度の高い本だけを書架に置き、ほとんどの本は地下の巨大な倉庫（補助記憶/ディスク）に保管されています。

あなたが特定の専門書（データ）を探しに来たとき、まず書架を探します。

アクセス要求: あなたが特定の専門書を探します。
ページフォールト発生: 書架（RAM）を探したところ、「この本は現在書架にはありません。司書に依頼してください」という札（ページテーブルの無効フラグ）を見つけました。これが「ページフォールト」です。
司書（OS）の出動: あなたは司書（OS）に「本がない！」と通知します。これはCPUがOSにトラップをかける行為に相当します。
ページイン処理: 司書は地下の倉庫（ディスク）に行き、その本を探し出し、書架（RAM）の空いているスペースに運びます。もし書架がいっぱいなら、司書はまず「一番古くて誰も読んでいない本」を倉庫に戻す（ページアウト）作業から始めなければなりません。
処理再開: 司書が本をセットし終えたら、あなたは再びその本を手に取って（命令を再実行して）読み始めることができます。

この一連の流れにより、図書館（システム）は限られた書架スペース（RAM）にもかかわらず、何百万冊もの本（大容量のデータ）を扱えるようになっているのです。