仮想記憶(仮想メモリー)とは？
ITの初心者
先生、『仮想記憶』について教えていただけますか？
IT･PC専門家
仮想記憶とは、物理メモリよりも大きなメモリ空間を効率的に利用するための技術です。
ITの初心者
つまり、物理メモリの容量を超えて、より多くのデータを処理できるということですね。
IT･PC専門家
その通りです。仮想記憶を活用することによって、同時に実行できるプログラムやデータの量が大幅に増加します。
仮想記憶とは。
IT用語である「仮想記憶」とは、コンピュータが持つ未使用の空き領域を活用し、物理的なメモリ容量を超えたメモリ空間を確保するための技術を指します。
仮想記憶とは何か
仮想記憶とは、コンピュータが実際のメモリ容量よりも多くのメモリを利用できるように設計された仕組み</spanです。この技術は、コンピュータの物理メモリ（RAM）がすべて使い切られた場合に、ハードディスクドライブなどの補完的なストレージデバイスの一部をメモリとして活用できることを可能にします。
この仮想記憶の利用により、コンピュータはメモリ不足によるプログラムの実行中断を防ぎながら、より多くのプログラムやアプリケーションを同時に実行することができます</span。仮想メモリはオペレーティングシステムによって管理されており、プログラムの要求に応じて物理メモリと補完的なストレージデバイスとの間でデータを自動的に移動させます。
仮想記憶の仕組み
仮想記憶の仕組みは、コンピューターが物理メモリーよりも大きなメモリー空間を扱うための方法です。物理メモリーに収まらないデータは、ハードディスクなどの補助記憶装置に一時的に保存されることで、メモリー容量を実質的に拡張します。
仮想メモリーでは、各プロセスに対して仮想アドレス空間が割り当てられます。この仮想アドレス空間は、プロセスが実際に使用するメモリー空間よりも大きく設定されています。プロセスから参照されるメモリーアドレスのことを仮想アドレスといい、この仮想アドレスはページと呼ばれる単位で分割されています。
それぞれのページは、物理メモリーに割り当てられたフレームという単位にマッピングされます。仮想アドレスが参照される際、その対応するフレームが物理メモリーに存在していれば、即座にアクセスが可能です。もしフレームが存在しなければ、補助記憶装置からフレームを読み込み、物理メモリーにロードする必要があります。この処理をページフォルトと呼びます。
この仮想記憶の仕組みにより、複数のプロセスが同時に広範なメモリー空間を使用できるようになり、メモリー不足によってプログラムが強制終了する事態を回避できます</span。また、オペレーティングシステムはあまり利用されていないページを補助記憶装置に退避させ、必要なページを物理メモリーにロードするなどして、メモリー管理を効率的に行うことができます。
仮想記憶のメリットとデメリット
–仮想記憶（仮想メモリー）の利点と欠点–
仮想記憶は、物理メモリを拡張する仮想的なメモリ空間を提供し、コンピュータ全体の処理能力を向上させます。この技術により、大規模なプログラムやデータセットを一度に実行することが可能となり、処理の効率が大幅に改善されます。
-利点-
* -拡張されたメモリ容量-仮想記憶を使用することで、物理メモリの限界を超えたメモリ容量を割り当てることが可能になります。これにより、大規模なアプリケーションや複数のプログラムを同時に実行することができます。
* -高速な処理-頻繁にアクセスされるデータは物理メモリに保存され、他のデータは相対的に速度の遅いストレージデバイスに格納されます。この仕組みによって、よく使用されるデータへのアクセスが迅速になります。
* -メモリ効率の向上-仮想記憶は、使用されていないメモリ領域を解放し、他のアプリケーションに利用可能にします。これにより、全体的なメモリ効率が改善されます。
-欠点-
* -パフォーマンスの低下-仮想メモリにアクセスする際、物理メモリへのアクセスに比べて時間がかかるため、頻繁に仮想メモリにアクセスする場合、全体的なパフォーマンスが低下する可能性があります。
* -フラグメンテーション-仮想記憶を使用すると、物理メモリが断片化し、連続した使用可能メモリ領域が減少することがあります。これにより、処理速度が落ちる可能性があります。
* -セキュリティ上の問題-仮想メモリは、他のプロセスやアプリケーションとメモリ空間を共有するため、セキュリティの脆弱性が生じる可能性があります。
仮想記憶の用途
仮想記憶の用途は非常に多岐にわたりますが、特に重要な用途の一つは、物理メモリの容量を超えた大規模なプログラムやデータを効率的に処理できるようにすることです。この技術によって、ユーザーは物理メモリの限界を超えるアプリケーションやタスクをスムーズに実行することが可能になります。
さらに、仮想記憶はプロセス間の分離を強化する役割も果たします。各プロセスは固有の仮想アドレス空間を持つため、他のプロセスとの干渉を防ぎます。この結果、システム全体の安定性とセキュリティが向上します。
また、仮想記憶はメモリ管理を効率化することにも寄与します。未使用のメモリページがディスクにスワップアウトされ、必要な際には再びスワップインされることで、使用可能なメモリ量を最大限に引き出すことができるのです。この仕組みにより、複数のプログラムやプロセスが効率良く同時に実行されるようになります。
仮想記憶とページング
仮想記憶とページングの関係
仮想記憶システムでは、ページングという手法を用いて主記憶装置（RAM）不足を補います。ページングでは、主記憶装置の容量が不足した場合、使用頻度の低いページを一時的に補助記憶装置（ハードディスクドライブなど）に退避させます。そして、そのページが再度必要になった際には、補助記憶装置から主記憶装置に戻されます。
このプロセスにより、実質的なメモリー容量が増加し、より多くのプログラムやデータを同時に実行できるようになります。さらに、ページングはマルチタスク環境において各プロセスに個別の仮想アドレス空間を提供することで、メモリーの共有と保護を実現しています。