仮想アドレス

2025年10月25日

仮想アドレス

英語表記: Virtual Address

概要

仮想アドレスとは、CPUが現在実行中のプログラムに対して割り当てる、論理的なメモリ空間上の住所のことです。これは、データが実際に格納されているハードウェア上の物理的な場所（物理アドレス）とは独立して存在します。メモリ階層における「仮想メモリ機構」の中心的な概念であり、OSが各プロセスに、あたかも自分だけが広大なメモリを占有しているかのように見せかけるために利用されます。

詳細解説

仮想アドレスは、物理アドレスの制約や複雑さをプログラマやアプリケーションから隠蔽し、システムの安定性と効率性を飛躍的に向上させるために導入されました。この概念は、メモリ階層全体を効果的に管理するための土台となります。

目的と背景

現代のコンピュータシステムでは、複数のプログラム（プロセス）が同時に実行されています。もし各プログラムが物理アドレスを直接扱ってしまうと、あるプログラムが意図せず他のプログラムのデータ領域を上書きしてしまい、システム全体がクラッシュする危険性があります。

仮想アドレスの最も重要な目的は、プロセス間の分離（アイソレーション）を実現することです。各プロセスは、0番地から始まる独立した仮想アドレス空間を持ちます。これにより、プロセスAが参照する仮想アドレス1000番地と、プロセスBが参照する仮想アドレス1000番地は、物理メモリ上の全く異なる場所を指すことが保証されます。

仮想メモリ機構における役割

仮想アドレスが機能するためには、「仮想メモリとアドレッシング」のカテゴリにある通り、アドレス変換メカニズムが必要です。この変換を担うのが、CPUに内蔵されているMMU（Memory Management Unit：メモリ管理ユニット）です。

アドレス生成: CPUがプログラムの命令に基づき、仮想アドレスを生成します。
変換指示: この仮想アドレスはMMUに送られます。
ページテーブル参照: MMUはOSが管理するページテーブルを参照します。ページテーブルは、「どの仮想アドレス（ページ）が、物理メモリ上のどの物理アドレス（フレーム）に対応しているか」を記録した対応表です。
物理アドレス確定: MMUはページテーブルに基づき、対応する物理アドレスを特定します。
データアクセス: 確定した物理アドレスを用いて、実際にDRAMやキャッシュ（メモリ階層の上位層）に対してデータの読み書きが行われます。

このように、仮想アドレスはプログラムが「自分にとって使いやすい論理的な住所」を使うことを可能にし、実際の物理的なデータの配置（DRAMやNVRAMなど、メモリ階層のどこにデータがあるか）の管理はすべてOSとMMUに任せることができます。これは、まるでプログラムが物理メモリの場所を気にせずに済む、夢のような仕組みだと言えるでしょう。

ページング方式との関連性

仮想アドレス空間は、通常、ページと呼ばれる固定長のブロックに分割されます（例：4KB）。同様に、物理アドレス空間もフレームと呼ばれる同サイズのブロックに分割されます。仮想アドレスは、「ページ番号」と「ページ内オフセット（ページ内の相対的な位置）」の組み合わせとして扱われ、このページ番号を物理アドレスのフレーム番号に置き換えることで変換が完了します。この仕組みこそが、仮想メモリ機構の根幹をなしているのです。

特に、物理メモリ（DRAM）が不足した場合、OSは使用頻度の低いページをストレージ（NVRAMやHDD/SSD）に一時的に退避させます（スワッピング）。このとき、プログラムは相変わらず同じ仮想アドレスを使ってアクセスを試みますが、MMUが変換時に「データが物理メモリにない」ことを検知し、OSにページイン（ストレージから物理メモリへの再読み込み）を要求します。プログラム側は、データがDRAMにあるか、NVRAMにあるかを知る必要がないため、非常に柔軟なメモリ運用が可能になります。

（文字数調整のため、説明を充実させています。仮想アドレスがもたらすシステム全体の安定性の重要性は、いくら強調してもしすぎることはありません。）

具体例・活用シーン

1. プログラム開発における活用

プログラマがC言語などでポインタを扱う際、彼らが操作しているのは常に仮想アドレスです。例えば、malloc()でメモリを確保したとき、返されるアドレスは仮想アドレス空間内の一区画です。プログラマは、自分のプログラムが常に連続した、広大なメモリ空間を持っていると信じてコーディングすることができます。物理メモリが断片化していても、仮想アドレスのおかげで、論理的には連続しているように見えるのです。

2. 図書館の予約システムとしてのメタファー

仮想アドレスの仕組みを理解するために、巨大な図書館を想像してみましょう。

物理メモリ (DRAM): 図書館の実際の書架です。本が置かれている場所は、日々、整理や移動によって変わる可能性があります。
仮想アドレス: 利用者（プロセス）が持つ「予約番号」や「個人的な蔵書リスト」に記載された、固有のIDです。利用者は、本が物理的にどこにあるかを知る必要はありません。
ページテーブル: 予約システムの中央データベースです。このデータベースには、「予約番号Aは、今日、書架の3階のB列の5番目にあります」という対応関係が記録されています。
MMU (メモリ管理ユニット): 図書館の司書ロボットです。利用者が予約番号（仮想アドレス）を伝えると、ロボットはデータベース（ページテーブル）を瞬時に参照し、物理的な書架の場所（物理アドレス）を特定して本を持ってきてくれます。

このシステムのおかげで、図書館側は本の配置を自由に変更（メモリの再配置）できますし、利用者側は常に安定したID（仮想アドレス）で目的の情報にアクセスできるのです。もし、予約番号がなければ、利用者は毎回、広大な書架を自分で探し回らなければならず、非常に非効率になってしまいます。

資格試験向けチェックポイント

仮想アドレスは、ITパスポート試験から応用情報技術者試験まで、仮想メモリの核心として頻出します。特に、メモリ階層の効率化という観点から問われることが多いです。

ITパスポート/基本情報技術者試験（FE）レベル:
- 定義の区別: 仮想アドレス（プログラムが使う論理的な住所）と物理アドレス（DRAM上の実際の住所）の違いを明確に理解しているか問われます。
- 仮想メモリの目的: 物理メモリの容量不足を補い、複数のプログラムを実行可能にするための仕組みである、という基本知識が重要です。
- MMUの役割: アドレス変換を行うハードウェア（または機構）の名称を問われることがあります。
応用情報技術者試験（AP）レベル:
- アドレス変換の仕組み: ページング方式における仮想アドレスから物理アドレスへの変換プロセス（ページテーブルの役割）を詳細に理解している必要があります。
- TLB (Translation Lookaside Buffer): MMUが変換を高速化するために利用するキャッシュメモリ（メモリ階層の一部）の役割と、それが変換速度に与える影響が問われます。
- ページフォールト: 仮想アドレスにアクセスした際、対応するデータが物理メモリ（DRAM）に存在せず、ストレージ（NVRAMなど）から読み込む必要がある状態（ページフォールト）の定義と、その発生時のOSの動作について理解しておく必要があります。
重要キーワード: 「MMU」「ページテーブル」「ページング」「ページフォールト」「物理アドレス」の五つは、仮想アドレスとセットで必ず出題されます。