ページフォールト

コンピューティングにおいて、ページ フォールトとは、プロセスが適切な準備なしにメモリ ページにアクセスしたときにメモリ管理ユニット (MMU)が生成する例外です。ページにアクセスするには、プロセスの仮想アドレス空間にマッピングを追加する必要があります。さらに、実際のページ コンテンツをバックアップ (ディスクなど) からロードする必要がある場合があります。MMU はページ フォールトを検出しますが、オペレーティング システムのカーネルは、必要なページを物理メモリ内でアクセス可能にするか、不正なメモリ アクセスを拒否することで例外を処理します。

有効ページフォールトは一般的であり、 Windows、macOS、Linuxカーネルなど、仮想メモリを使用するあらゆるオペレーティングシステムでプログラムが使用できるメモリの量を増やすために必要です。^[1]

フォールトが発生した時点でページがメモリにロードされているが、メモリ管理ユニットでメモリにロードされているとマークされていない場合は、マイナーページ フォールトまたはソフト ページ フォールトと呼ばれます。オペレーティング システムのページ フォールト ハンドラーは、メモリ管理ユニットでそのページのエントリをメモリ内のページを指すようにし、ページがメモリにロードされていることを示すだけで済みます。ページをメモリに読み込む必要はありません。これは、メモリがさまざまなプログラムによって共有され、ページがすでに他のプログラムのメモリに読み込まれている場合に発生する可能性があります。

これは、オペレーティング システムがオンデマンドで使用可能なプログラム メモリの量を増やすために使用するメカニズムです。オペレーティング システムは、プログラムが使用しようとしてページ フォールトが生成されるまで、プログラムの一部をディスクからロードするのを遅らせます。フォールト発生時にページがメモリにロードされていない場合は、メジャー ページフォールトまたはハード ページ フォールトと呼ばれます。OS のページ フォールト ハンドラーは、空き領域を見つける必要があります。空き領域とは、メモリ内の空きページか、メモリ内の空きでないページのいずれかです。後者は別のプロセスによって使用される可能性があり、その場合、OS はそのページのデータを書き出し (最後に変更されてから書き出されていない場合)、そのページをプロセスページ テーブルでメモリにロードされていないページとしてマークする必要があります。スペースが使用可能になると、OS は新しいページのデータをメモリに読み込み、メモリ管理ユニット内のその場所にエントリを追加して、ページがロードされたことを示すことができます。したがって、メジャー フォールトはマイナー フォールトよりもコストがかかり、中断されたプログラムの実行にストレージ アクセスの待ち時間を追加します。

仮想アドレス空間の一部ではないアドレスへの参照に対してページ フォールトが発生した場合、つまり、それに対応するページがメモリ内に存在できない場合、それは無効ページ フォールトと呼ばれます。オペレーティング システムのページ フォールト ハンドラは、通常、問題のあるプロセスにセグメンテーション フォールトを渡して、アクセスが無効であったことを示します。これにより、通常、無効な参照を行ったコードは異常終了します。ヌル ポインターは通常、アドレス空間内のアドレス 0 へのポインターとして表されます。多くのオペレーティング システムでは、そのアドレスを含むページがメモリ内にないことを示すように MMU を設定し、そのページを仮想アドレス空間に含めないため、ヌル ポインターによって参照されるメモリの読み取りまたは書き込みを試みると、無効ページ フォールトが発生します。

不正アクセスや無効なページ フォールトにより、セグメンテーション フォールトやバス エラーが発生し、アプリや OS がクラッシュする可能性があります。これらの問題の原因はソフトウェアのバグであることが多いですが、オーバークロックなどによって発生するハードウェア メモリ エラーによってポインタが破損し、有効なコードが失敗することもあります。

オペレーティング システムには、ページ フォールト エラーを報告するためのさまざまなメカニズムが用意されています。Microsoft Windows は、構造化例外処理を使用して、無効なページ フォールトをアクセス違反例外として報告します。UNIX系システムでは通常、 SIGSEGVなどのシグナルを使用して、これらのエラー状態をプログラムに報告します。エラーを受け取ったプログラムがエラーを処理しない場合、オペレーティング システムは既定のアクションを実行します。既定のアクションでは、通常、エラー状態の原因となった実行中のプロセスが終了し、プログラムが誤動作していることがユーザーに通知されます。Windows では、このようなクラッシュを詳細に報告しないことがよくあります。経験豊富なユーザーは、WinDbgと、クラッシュ時に Windows が作成するミニダンプを使用して、詳細な情報を取得できます。UNIX 系オペレーティング システムでは、これらの状態を「セグメンテーション違反」や「バス エラー」などのエラー メッセージで報告し、コア ダンプを生成する場合があります。

ページ フォールトはシステム パフォーマンスを低下させ、スラッシングを引き起こす可能性があります。ハード ディスク ドライブを使用する従来のコンピューターで主要なページ フォールトが発生すると、パフォーマンスに重大な影響が出る可能性があります。これは、平均的なハード ディスク ドライブの回転待ち時間が 3 ミリ秒、シーク時間が 5 ミリ秒、転送時間が 0.05 ミリ秒/ページであるためです。したがって、ページングの合計時間は約 8 ミリ秒 (= 8,000 マイクロ秒) になります。メモリ アクセス時間が 0.2 マイクロ秒の場合、ページ フォールトによって操作が約 40,000 倍遅くなります。

プログラムやオペレーティング システムのパフォーマンスの最適化には、多くの場合、ページ フォールトの数を減らすことが含まれます。最適化の 2 つの主な焦点は、全体的なメモリ使用量の削減とメモリの局所性の向上です。ページ フォールトを減らすには、開発者はページ ヒットを最大化する適切なページ置換アルゴリズムを使用する必要があります。ページ フォールトの発生を減らすための ヒューリスティック アルゴリズムの実装など、多くの提案が行われています。

物理メモリが大きいほど、ページ フォールトも減少します。

• ベラディの異常
• メモリ階層

• 「それではページ フォールトとは何ですか?」(サブスクリプションが必要) OSR Online (Windows 固有の説明)
• Red Hat Web サイトの「仮想メモリの詳細」
• MSDN オンラインの「UnhandledExceptionFilter (Windows)」。
• ページ フォールトが処理時間に重大な影響を与える可能性がある理由については、「ページ フォールトのオーバーヘッド」を参照してください。