ページ（コンピュータのメモリ）

ページ、メモリページ、または仮想ページは、ページテーブル内の単一のエントリによって記述される、固定長の連続した仮想メモリのブロックです。これは、仮想メモリを使用するオペレーティングシステムにおけるメモリ管理の最小のデータ単位です。同様に、ページフレームは、オペレーティングシステムによってメモリページがマップされる物理メモリの最小の固定長の連続ブロックです。^{[1] [2] [3]}

メインメモリとハードディスクドライブなどの補助記憶装置間のページ転送は、ページングまたはスワッピングと呼ばれます。 ^[4]

コンピュータのメモリは、情報をより速く見つけられるようにページに分割されています。

この概念は、印刷された本のページとの類似性から名付けられました。読者が、たとえば、本の 5,000 番目の単語を見つけたい場合、最初の単語から数えることができます。これは時間のかかる作業です。読者が各ページに単語がいくつあるかのリストを持っていれば、はるかに高速になります。このリストから、5,000 番目の単語がどのページにあるのか、そのページで何単語を数えればよいのかを判断できます。本のページごとの単語のリストは、コンピューターのファイル システムのページ テーブルに似ています。^[5]

ページサイズは通常、プロセッサアーキテクチャによって決まります。従来、システム内のページは4,096バイトなどの均一なサイズでした。しかし、プロセッサ設計では、利点があるため、2つ以上のページサイズを同時に設定できることがよくあります。最適なページサイズを選択する際に考慮すべき点がいくつかあります。^[6]

ページ サイズが小さいシステムでは、より多くのページが使用されるため、より多くのスペースを占めるページ テーブルが必要になります。たとえば、2 ^{32 の}仮想アドレス空間が 4  KiB (2 ¹²バイト) のページにマップされている場合、仮想ページの数は 2 ²⁰  = (2 ³²  / 2 ¹² ) です。ただし、ページ サイズが 32 KiB (2 ¹⁵バイト) に増加された場合、必要なページは 2 ¹⁷ページのみになります。マルチレベル ページング アルゴリズムでは、ページ テーブルをさらに小さなテーブルに分割してページ テーブルを効果的にページングすることで、各プロセスに大きなページ テーブルを割り当てるメモリ コストを削減できます。

メモリへのアクセスはすべて仮想アドレスから物理アドレスにマッピングする必要があるため、ページ テーブルを毎回読み取るとコストがかなりかかります。そのため、非常に高速なキャッシュであるトランスレーション ルックアサイド バッファ(TLB) がよく使用されます。TLB のサイズは限られており、特定の要求を満たすことができない場合 ( TLB ミス)、ページ テーブルを手動で検索して (アーキテクチャに応じてハードウェアまたはソフトウェアのいずれかで) 正しいマッピングを行う必要があります。ページ サイズが大きいほど、同じサイズの TLB キャッシュで大量のメモリを追跡できるため、コストのかかる TLB ミスを回避できます。

プロセスが正確なページ数の使用を必要とすることはほとんどありません。その結果、最後のページは部分的にしか満たされず、ある程度のメモリが無駄になります。ページ サイズが大きいほど、メイン メモリにロードされるメモリの未使用部分が増えるため、大量のメモリが無駄になります。ページ サイズが小さいほど、割り当てに必要な実際のメモリ量に近くなります。

たとえば、ページ サイズが 1024 B であるとします。プロセスが 1025 B を割り当てる場合、2 つのページが使用されるため、未使用の領域は 1023 B になります (1 つのページは 1024 B を完全に消費し、もう 1 つのページは 1 B のみを消費します)。

回転ディスクから転送する場合、遅延の多くはシーク時間、つまりディスク プラッター上の読み取り/書き込みヘッドを正しく配置するのにかかる時間によって発生します。このため、複数の小さな転送よりも、大きな連続転送の方が効率的です。同じ量のデータをディスクからメモリに転送する場合、小さいページよりも大きいページの方が時間がかからないことがよくあります。

ほとんどのオペレーティング システムでは、プログラムが実行時にページ サイズを検出できます。これにより、プログラムは割り当てをこのサイズに揃え、ページの内部断片化を全体的に減らすことで、メモリをより効率的に使用できます。

UnixおよびPOSIXベースのシステムでは、 Cプログラミング言語で書かれた次の例に示すようにsysconf()、システム関数^{[7] [8] [9] [10] [11]}を使用することがあります。

#include <stdio.h> #include <unistd.h> /* sysconf(3) */ 
 

int main ( void ) { printf ( "このシステムのページサイズは %ld バイトです。\n " , sysconf ( _SC_PAGESIZE )); /* _SC_PAGE_SIZE も OK です。 */ 

	
		 

	0 を返す; } 

多くのUnixシステムでは、コマンドラインユーティリティをgetconf使用できます。^{[12] [13] [14]} たとえば、getconf PAGESIZEはページサイズをバイト単位で返します。

Windows 9xやWindows NTファミリーなどのWin32ベースのオペレーティングシステムでは、のシステム関数GetSystemInfo()^{[15] [16]}kernel32.dllが使用される場合があります。

#include <stdio.h> #include <windows.h> 
 

int main ( void ) { SYSTEM_INFO si ; GetSystemInfo ( & si ); 

	 
	

	printf ( "このシステムのページ サイズは %u バイトです。\n " , si . dwPageSize ); 

	0 を返す; } 

一部の命令セット アーキテクチャでは、標準ページ サイズよりも大幅に大きいページを含む複数のページ サイズをサポートできます。使用可能なページ サイズは、命令セット アーキテクチャ、プロセッサの種類、および動作 (アドレッシング) モードによって異なります。オペレーティング システムは、アーキテクチャでサポートされているサイズから 1 つ以上のサイズを選択します。すべてのプロセッサが、定義されているすべての大きいページ サイズを実装しているわけではないことに注意してください。この大きいページ ( Linuxでは「ヒュージ ページ」 、FreeBSDでは「スーパー ページ」 、Microsoft WindowsおよびIBM AIX の用語では「ラージ ページ」と呼ばれます) のサポートにより、「両方の長所」が実現され、大きな割り当てではTLB キャッシュへの負荷が軽減され(場合によっては速度が最大 15% 向上します)、小さな割り当てではメモリ使用量が適切なレベルに保たれます。

Pentium ProおよびAMD Athlon以降のx86プロセッサは、標準の 4 KiB ページに加えて 4 MiB ページ (ページ サイズ拡張と呼ばれる) (PAE を使用する場合は 2 MiB ページ) をサポートしています。AMDの新しい AMD64 プロセッサや Intel の Westmere [27] 以降の Xeon プロセッサなどの新しいx86-64プロセッサは、ロングモードで1 ^GiBページを使用できます。IA - 64 は4 KiB から 256 MiB までの 8 つの異なるページ サイズをサポートしており、他のアーキテクチャにも同様の機能があります。^[指定]

大容量ページは、ほとんどの現代のパーソナル コンピュータで使用されているプロセッサで使用可能であるにもかかわらず、大規模なアプリケーション (通常、大規模なサーバーや計算クラスタで使用されるアプリケーション) とオペレーティング システム自体を除いて、一般的には使用されていません。通常、大容量ページを使用するには、昇格された権限、大容量割り当てを行うアプリケーションの協力 (通常は、オペレーティング システムに大容量ページを要求するフラグの設定)、または管理者による手動構成が必要です。オペレーティング システムでは、通常、場合によっては設計上、ディスクにページ アウトできません。

しかし、SGI IRIXは複数のページサイズを汎用的にサポートしています。個々のプロセスはヒントを提供でき、オペレーティングシステムは指定されたアドレス空間領域で可能な最大のページサイズを自動的に使用します。^[28]その後の研究では、プリエンプティブ予約、オポチュニスティックプロモーション、投機的降格、フラグメンテーション制御を通じて、変更されていないアプリケーションでページサイズの組み合わせを使用するための透過的なオペレーティングシステムサポートが提案されました。^[29]

Linuxは2.6シリーズ以降、hugetlbfsファイルシステム経由でいくつかのアーキテクチャ上で巨大ページをサポートしてきた^[30]が、hugetlbfs2.6.38以降はファイルシステムなしでもサポートしてきた。^[31] Windows Server 2003 (SP1以降)、Windows Vista、およびWindows Server 2008は、ラージページという名前で巨大ページをサポートしている。^[32] Windows 2000およびWindows XPは、ラージページを内部的にサポートしているが、アプリケーションには公開していない。^[33] Windowsでラージページを予約するには、システム管理者がユーザーに付与しなければならない対応する権限が必要である。これは、Windowsではラージページをスワップアウトできないためである。Solarisはバージョン9以降、 SPARCおよびx86でラージページをサポートしている。 ^{[34] [35]} FreeBSD 7.2-RELEASEはスーパーページを備えている。^[36] Linuxでは最近まで、巨大ページを使用するためにアプリケーションを変更する必要があったことに留意されたい。2.6.38カーネルでは、巨大ページの透過的な使用のサポートが導入された。^{[31]透過的な巨大ページをサポートするLinuxカーネル、FreeBSD、} Solarisでは、アプリケーションは変更を必要とせずに自動的に巨大ページを利用します。^[36]

• グラントテーブル
• ページフォールト
• ページテーブル
• メモリページング
• 仮想メモリ
• ゼロページ-プロセッサのアドレス空間の先頭にある（多くの場合256バイトの大きさ^{[37] [38] ）メモリ領域}
• ゼロページ（CP/M） -プログラムの開始時の256バイト^{[38]のデータ構造}

• Dandamudi, Sivarama P. (2003).コンピュータ組織と設計の基礎(第 1 版). Springer . pp. 740–741. ISBN 0-387-95211-X。