メモリページング

コンピュータの オペレーティングシステム において、メモリページング（一部のUnix系システムではスワッピング）は、コンピュータがメインメモリで使用するために二次記憶装置^{[a]にデータを保存および取得する}メモリ管理スキームです。^{[要出典]このスキームでは、オペレーティングシステムは}ページと呼ばれる同じサイズのブロックで二次記憶装置からデータを取得します。ページングは​​、二次記憶装置を使用してプログラムが使用可能な物理メモリのサイズを超えることを可能にする、現代のオペレーティングシステムにおける 仮想メモリ実装の重要な部分です。

簡単にするために、メイン メモリは「RAM」(ランダム アクセス メモリの略語) と呼ばれ、セカンダリ ストレージは「ディスク」(ハード ディスク ドライブ、ドラム メモリ、ソリッド ステート ドライブなどの略語) と呼ばれますが、コンピューティングの多くの側面と同様に、これらの概念は使用されるテクノロジとは無関係です。

メモリ モデルに応じて、ページ メモリ機能は通常、メモリ管理ユニット(MMU) またはメモリ保護ユニット(MPU) を使用して CPU/MCU にハードワイヤードされており、オペレーティング システムのカーネル内の特権システム コードによって個別に有効にされます。たとえば、 x86 命令セット アーキテクチャ(ISA) を実装する CPU では、メモリ ページングは​​ CR0制御レジスタを介して有効になります。

1960 年代、スワッピングは初期の仮想メモリ技術でした。プログラム全体またはセグメント全体が RAM からディスクまたはドラムに「スワップ アウト」(または「ロール アウト」) され、別のプログラムがスワップ イン(またはロール イン) されました。^{[1] [2]}スワップ アウトされたプログラムは最新の状態ですが、その RAM が別のプログラムによって使用されている間は実行が中断されます。スワップ アウトされたセグメントを持つプログラムは、そのセグメントが必要になるまで実行を継続できますが、その時点でセグメントがスワップ インされるまで中断されます。

プログラムには、異なるタイミングで同じメモリを占有する複数のオーバーレイが含まれる場合があります。オーバーレイは、RAM をディスクにページングする方法ではなく、プログラムの RAM 使用を最小限に抑えるだけです。その後のアーキテクチャではメモリ セグメンテーションが使用され、個々のプログラム セグメントがディスクと RAM 間で交換される単位になりました。セグメントは、プログラムのコード セグメント全体またはデータ セグメント、または場合によっては他の大きなデータ構造でした。これらのセグメントは、RAM に常駐しているときは連続している必要があり、断片化を修正するために追加の計算と移動が必要でした。^[3]

フェランティのアトラスとマンチェスター大学で開発されたアトラス・スーパーバイザ^[4] (1962) は、メモリ・ページングを実装した最初のシステムでした。ページングをサポートするその後の初期のマシンとそのオペレーティング・システムには、IBM M44/44XとそのMOSオペレーティング・システム (1964)、^[5] SDS 940 ^[6]とバークレー・タイムシェアリング・システム(1966)、改良されたIBM System/360 モデル40とCP-40オペレーティング・システム (1967)、IBM System/360 モデル67とTSS/360やCP/CMSなどのオペレーティング・システム(1967)、RCA 70/46とタイム・シェアリング・オペレーティング・システム(1967)、GE 645とMultics (1969)、BBN設計のページング・ハードウェアとTENEXオペレーティング・システムを追加したPDP-10 (1969) などがあります。

これらのマシン、およびメモリ ページングをサポートする後続のマシンでは、ページ アドレス レジスタのセットまたはメモリ内ページ テーブル^{[d]を使用して、プロセッサが RAM 内の任意のページを一見連続した}論理アドレス空間として操作できるようにしています。これらのページは、ディスクと RAM 間で交換される単位になりました。

プロセスが RAM 内のページ フレームに現在マップされていないページを参照しようとすると、プロセッサはこの無効なメモリ参照をページ フォールトとして扱い、プログラムからオペレーティング システムに制御を移します。オペレーティング システムは次の操作を行う必要があります。

1. 盗まれたページ フレームにページの変更されていないコピーがまだ含まれているかどうかを確認します。含まれている場合は、そのページ フレームを使用します。
2. それ以外の場合は、データのコンテナとして使用するために RAM 内の空のページ フレームを取得し、次の操作を実行します。
   • ページが初期化されたかどうかを確認する
   • そうであれば、ディスク上のデータの場所を特定します。
   • 必要なデータを利用可能なページ フレームに読み込みます。
3. 新しいページ フレームを参照するようにページ テーブルを更新します。
4. ページ フォールトの原因となった命令を透過的に再試行し、プログラムに制御を戻します。

すべてのページ フレームが使用中の場合、オペレーティング システムは、プログラムが現在必要としているページ用に再利用するページ フレームを選択する必要があります。削除されたページ フレームが、データを保持するためにプログラムによって動的に割り当てられたものである場合、または RAM に読み込まれた後にプログラムによって変更された場合 (つまり、「ダーティ」になった場合)、解放する前にディスクに書き出す必要があります。後でプログラムが削除されたページを参照すると、別のページ フォールトが発生し、ページを RAM に再度読み込む必要があります。

再利用するページ フレームを選択するためにオペレーティング システムが使用する方法、つまりページ置換アルゴリズムは、効率にとって重要です。オペレーティング システムは、通常、最近最も使用されていない(LRU) アルゴリズムまたはプログラムのワーキング セットに基づくアルゴリズムを使用して、すぐに必要になる可能性が最も低いページ フレームを予測します。応答性をさらに高めるために、ページング システムは、すぐに必要になるページを予測し、プログラムが参照する前に事前にそれらを RAM にロードし、長い間参照されていないページからページ フレームを盗んで使用可能にします。一部のシステムでは、セキュリティを侵害するデータ漏洩を回避するために新しいページをクリアします。また、デバッグを容易にするために、インストール時に定義された値またはランダムな値にページを設定するシステムもあります。

純粋なデマンド ページングを使用すると、ページは参照されたときにのみロードされます。メモリ マップ ファイルのプログラムは、ページが RAM にない状態で実行を開始します。プログラムがページ フォールトをコミットすると、オペレーティング システムは、メモリ マップ ファイル、ページ ファイル、またはページ データを含むスワップ パーティションなどのファイルから必要なページを RAM にコピーします。

一部のシステムでは、ページが実際に要求されるまで待機してから RAM にロードする、 デマンド ページングのみを使用します。

他のシステムでは、RAM にないページのうちすぐに必要になる可能性が高いページを推測し、そのページが要求される前にそのようなページを RAM に事前ロードすることで、レイテンシを削減しようとします。(これは多くの場合、現在 RAM にあるページのうちすぐに必要になる可能性が低いページを推測し、それらをストレージに事前書き出す事前クリーニングと組み合わせて行われます。)

ページフォールトが発生すると、先行ページングシステムは参照されたページだけでなく、すぐに参照される可能性のある他のページも取り込む。単純な先行ページングアルゴリズムは、まだ必要でない場合でも、次の数ページを連続して取り込む（参照の局所性を使用した予測）。これは、CPUのプリフェッチ入力キューに類似している。スワッププリフェッチは、十分な空きページがある場合、最近スワップアウトされたページをプリフェッチする。^[7]

プログラムが終了すると、ユーザーが同じプログラムを再度実行する場合に備えて、オペレーティング システムはページの解放を遅らせることがあります。

空きページ キューは、割り当て可能なページ フレームのリストです。このキューが空にならないようにすることで、ページ フォールトを処理するために必要な計算を最小限に抑えることができます。一部のオペレーティング システムでは、最近参照されていないページを定期的に検索し、ページ フレームを解放して空きページ キューに追加します。このプロセスは「ページ スティーリング」と呼ばれます。一部のオペレーティング システム^[e]では、ページの再利用がサポートされています。つまり、プログラムが盗まれたページを参照してページ フォールトを起こした場合、オペレーティング システムはこれを検出し、内容を RAM に読み戻すことなくページ フレームを復元します。

オペレーティング システムは、定期的にダーティ ページを事前クリーンアップします。つまり、変更されたページがさらに変更される可能性がある場合でも、それらをディスクに書き戻します。これにより、新しいプログラムが起動したときや新しいデータ ファイルが開かれたときに新しいページ フレームを取得するために必要なクリーンアップの量が最小限に抑えられ、応答性が向上します。(Unix オペレーティング システムでは、定期的に同期を使用してすべてのダーティ ページを事前クリーンアップします。Windows オペレーティング システムでは、「変更されたページ ライター」スレッドを使用します。)

初期化が完了すると、ほとんどのプログラムは、プログラムが必要とするメモリの合計数に比べて少数のコード ページとデータ ページで動作します。最も頻繁にアクセスされるページは、ワーキング セットと呼ばれます。

ワーキング セットがシステムのページ総数のわずかな割合を占める場合、仮想メモリ システムは最も効率的に動作し、ページ フォールトの解決に費やすコンピューティングの量はわずかです。ワーキング セットが大きくなると、ページ フォールトの解決は、その増加が臨界点に達するまでは管理可能なままです。その後、フォールトが劇的に増加し、その解決に要する時間が、プログラムが実行されるはずだったコンピューティングに費やされる時間を圧倒します。この状態は、スラッシングと呼ばれます。スラッシングは、巨大なデータ構造を扱うプログラムで発生します。その大きなワーキング セットにより、ページ フォールトが継続的に発生し、システムが大幅に遅くなるためです。ページ フォールトを解決するには、すぐにディスクから再度読み込まなければならないページを解放する必要がある場合があります。「スラッシング」は、仮想メモリ システム以外のコンテキストでも使用されます。たとえば、コンピューティングにおけるキャッシュの問題や、ネットワークにおけるSilly Windows Syndrome を説明する場合などです。

最悪のケースは、VAXプロセッサで発生する可能性があります。ページ境界を越える単一の MOVL には、変位遅延アドレッシング モードを使用するソース オペランド (オペランド アドレスを含むロングワードがページ境界を越える) と変位遅延アドレッシング モードを使用する宛先オペランド (オペランド アドレスを含むロングワードがページ境界を越える) があり、ソースと宛先の両方がページ境界を越える可能性があります。この単一の命令は 10 ページを参照します。すべてが RAM 内にない場合は、それぞれがページ フォールトを引き起こします。フォールトが発生するたびに、オペレーティング システムは広範なメモリ管理ルーチンを実行する必要があり、おそらく複数の I/O が発生し、これには他のプロセス ページをディスクに書き込んだり、アクティブ プロセスのページをディスクから読み取ったりすることが含まれます。オペレーティング システムがこのプログラムに 10 ページを割り当てることができない場合、ページ フォールトを修正すると、命令に必要な別のページが破棄され、命令を再開すると再びフォールトが発生します。

過剰なページングを減らしてスラッシング問題を解決するには、同時に実行するプログラムを減らすか、コンピューターの RAM の量を増やすことで、プログラムごとに使用可能なページ数を増やすことができます。

マルチプログラミングまたはマルチユーザー環境では、コードとデータが別々のページにあるように記述された同じプログラムを多くのユーザーが実行することがあります。RAM の使用を最小限に抑えるために、すべてのユーザーがプログラムの 1 つのコピーを共有します。各プロセスのページ テーブルは、コードに対応するページが 1 つの共有コピーを指し、データに対応するページがプロセスごとに異なる物理ページを指すように設定されます。

異なるプログラムが同じライブラリを使用する場合もあります。スペースを節約するために、共有ライブラリのコピーは 1 つだけ物理メモリにロードされます。同じライブラリを使用するプログラムには、同じページ (ライブラリのコードとデータを含むページ) にマップされる仮想アドレスがあります。プログラムがライブラリのコードを変更する場合、コピーオンライトが使用されるため、必要なときにのみメモリが割り当てられます。

共有メモリは、プログラム間の通信に効率的な手段です。プログラムはメモリ内のページを共有し、書き込みと読み取りを行ってデータを交換できます。

ページングをサポートした最初のコンピュータは、1963年にフェランティ、マンチェスター大学、プレッシーによって共同開発されたスーパーコンピュータアトラス[8] [9] [10]でした。このマシンには、512ワードのページごとに1つのエントリを持つ連想メモリ（内容参照可能メモリ）がありました。スーパーバイザ[ 11 ]は、^{非等価割り込み[} f ]^を処理し^、コアとドラム間のページ転送を管理して、プログラムに1レベルのストア^[12]を提供しました。

ページングは​​、1990 年のWindows 3.0以来、Microsoft Windowsの機能となっています。Windows 3.x は、スワップ ファイルとして使用するために、またはという名前の隠しファイルを作成します。このファイルは一般にルート ディレクトリにありますが、他の場所 (通常は WINDOWS ディレクトリ) にある場合もあります。このファイルの大きさは、システムのスワップ領域の大きさ (ユーザーがコントロール パネル→ 「仮想メモリ」の「拡張」で選択した設定) によって異なります。このファイルを移動または削除すると、次に Windows を起動したときに、ブルー スクリーンに「永続スワップ ファイルが壊れています」というエラー メッセージが表示されます。ユーザーは、ファイルを削除するかどうかを選択するよう求められます (ファイルが存在しない場合も含む)。 386SPART.PARWIN386.SWP

Windows 95、Windows 98、Windows Me は同様のファイルを使用しており、その設定はコントロール パネル → システム → パフォーマンス タブ → 仮想メモリにあります。Windows は、ページ ファイルのサイズを物理メモリの 1.5 倍から開始し、必要に応じて物理メモリの 3 倍まで拡張するように自動的に設定します。ユーザーが物理メモリの少ないシステムでメモリを大量に消費するアプリケーションを実行する場合は、これらのサイズをデフォルトよりも高い値に手動で設定することをお勧めします。

Windows NTファミリでページングに使用されるファイルは ですpagefile.sys。ページ ファイルのデフォルトの場所は、Windows がインストールされているパーティションのルート ディレクトリです。Windows は、ページ ファイルに使用可能なドライブの空き領域を使用するように構成できます。ただし、システムがブルー スクリーン オブ デスの後にカーネル ダンプまたは完全なメモリ ダンプを書き込むように構成されている場合は、ブート パーティション (つまり、Windows ディレクトリを含むドライブ) にページ ファイルが存在する必要があります。Windowsは、ページング ファイルをメモリ ダンプの一時ストレージとして使用します。システムを再起動すると、Windows はページ ファイルからメモリ ダンプを別のファイルにコピーし、ページ ファイルで使用されていた領域を解放します。^[13]

Windows のデフォルト構成では、ページ ファイルは必要に応じて初期割り当てを超えて拡張できます。これが徐々に発生すると、ページ ファイルは極度に断片化され、パフォーマンスの問題を引き起こす可能性があります。^[14]これを回避するための一般的なアドバイスは、Windows がページ ファイルを拡張しないように、単一の「ロックされた」ページ ファイル サイズを設定することです。ただし、ページ ファイルはいっぱいになった場合にのみ拡張され、デフォルト構成では、物理メモリの総量の 150% になります。^{[引用が必要]}したがって、ページ ファイルが拡張されるには、ページ ファイルでバックアップされた仮想メモリの総需要がコンピューターの物理メモリの 250% を超える必要があります。

ページ ファイルの拡張時に発生する断片化は一時的なものです。拡張された領域が使用されなくなるとすぐに (次回の再起動時、あるいはそれより早く)、追加のディスク領域の割り当てが解放され、ページ ファイルは元の状態に戻ります。

Windows アプリケーションが物理メモリとページ ファイルの合計サイズよりも多くのメモリを要求する場合、ページ ファイル サイズのロックは問題になる可能性があり、メモリ割り当て要求が失敗して、アプリケーションやシステム プロセスが失敗する可能性があります。また、ページ ファイルが順番に読み書きされることはめったにないため、完全に順番にページ ファイルを作成することによるパフォーマンス上の利点は最小限です。ただし、ページ ファイルが大きいと、通常、メモリを大量に消費するアプリケーションを使用でき、ディスク領域の使用が増える以外にペナルティはありません。断片化されたページ ファイル自体は問題にならないかもしれませんが、可変サイズのページ ファイルの断片化により、時間の経過とともにドライブ上に複数の断片化されたブロックが作成され、他のファイルが断片化されます。このため、割り当てられたサイズがすべてのアプリケーションのニーズに対応できるほど大きい場合は、固定サイズの連続したページ ファイルの方が適しています。

必要なディスク領域は、より新しい仕様のシステムでは簡単に割り当てられます (つまり、750 GB のディスク ドライブ上に 6 GB の固定サイズのページ ファイルを持つ 3 GB のメモリを持つシステム、または 6 GB のメモリと 16 GB の固定サイズのページ ファイルと 2 TB のディスク領域を持つシステム)。どちらの例でも、ページ ファイルが最大限に拡張された状態では、システムはディスク領域の約 0.8% を使用します。

Windows システムが慢性的に総物理メモリよりも多くのメモリを使用している場合、パフォーマンスを向上させるためにページ ファイルのデフラグが推奨されることもあります。 ^{[引用が必要]}この見解では、一時的な拡張の結果は別として、ページ ファイルは時間の経過とともに断片化されないという事実が無視されています。一般に、ページ ファイル アクセスに関連するパフォーマンスの問題は、物理メモリを追加することでより効果的に対処できます。

Unixシステムやその他のUnix 系オペレーティング システムでは、物理 RAM がいっぱいになったときにディスク領域を RAM に置き換える動作を「スワップ」という用語で表します。^[15]これらのシステムの一部では、ハード ディスクのパーティション全体をスワップ専用にするのが一般的です。これらのパーティションは、スワップ パーティションと呼ばれます。多くのシステムでは、データ ドライブとは別に、スワップ パーティションのみを含むスワップ専用のハード ドライブ全体があります。スワップ専用のハード ドライブは、「スワップ ドライブ」または「スクラッチ ドライブ」または「スクラッチ ディスク」と呼ばれます。これらのシステムの一部は、スワップ パーティションへのスワップのみをサポートしていますが、ファイルへのスワップもサポートしています。

Linux カーネルは、事実上無制限の数のスワップ バックエンド (デバイスまたはファイル) をサポートし、バックエンドの優先順位の割り当てもサポートしています。カーネルが物理メモリからページをスワップする場合、利用可能な空き領域を持つ最も優先順位の高いバックエンドを使用します。複数のスワップ バックエンドに同じ優先順位が割り当てられている場合は、ラウンドロビン方式 ( RAID 0ストレージ レイアウトに似ています) で使用され、基礎となるデバイスに効率的に並列アクセスできる限り、パフォーマンスが向上します。^[16]

エンドユーザーの観点から見ると、Linux カーネルのバージョン 2.6.x 以降のスワップ ファイルは、スワップ パーティションとほぼ同程度の速度です。制限は、スワップ ファイルは、基盤となるファイル システムに連続的に割り当てられる必要があることです。スワップ ファイルのパフォーマンスを向上させるために、カーネルは、基盤となるデバイス上の配置場所のマップを保持し、直接アクセスすることで、キャッシュをバイパスし、ファイル システムのオーバーヘッドを回避します。^{[17] [18]}回転磁気メディア デバイスである HDD 上に存在する場合、スワップ パーティションを使用する利点の 1 つは、スワップ パーティションを連続した HDD 領域に配置できることです。これにより、データ スループットが向上し、シーク時間が短縮されます。ただし、スワップ ファイルの管理の柔軟性は、スワップ パーティションの特定の利点を上回る場合があります。たとえば、スワップ ファイルは、マウントされた任意のファイル システムに配置でき、任意のサイズに設定でき、必要に応じて追加または変更できます。スワップ パーティションはそれほど柔軟ではありません。パーティション分割ツールやボリューム管理ツールを使用せずに拡張することはできません。これにより、さまざまな複雑さと潜在的なダウンタイムが発生します。

SwappinessはLinux カーネルパラメータであり、空きメモリからメモリ割り当て要求を満たすことができない場合に、システムページキャッシュからページを削除するのではなく、ランタイムメモリからスワップアウトすることに与える相対的な重みを制御する。Swappiness は 0 から 200 までの値に設定できる。 ^[19]値が低いと、カーネルはページキャッシュからページを追い出すことを優先し、値が高いと、カーネルは「コールド」メモリページをスワップアウトすることを優先する。デフォルト値は である。値を大きくすると、コールドページをスワップインする必要がある場合に高レイテンシが発生する可能性があります (たとえば、アイドル状態だったプログラムと対話する場合)。一方、値を小さく (0 でも) すると、キャッシュから追い出されたファイルを再度読み込む必要がある場合に高レイテンシが発生する可能性がありますが、コールドページをスワップバックする必要が生じる可能性が低くなるため、対話型プログラムの応答性が向上します。また、スワップはランダム書き込みを多く伴うためHDD の速度をさらに低下させる可能性があるが、 SSD にはこの問題はない。確かにデフォルト値はほとんどのワークロードでうまく機能しますが、予想されるタスクを実行するデスクトップやインタラクティブシステムでは設定を下げ、バッチ処理やインタラクティブ性の低いシステムでは設定を上げる必要があるかもしれません。^[20]60

システムメモリが現在のタスクに対して著しく不足し、メモリアクティビティの大部分が低速スワップを経由する場合、CPUがアイドル状態であっても、システムは実質的にタスクを実行できなくなる可能性があります。すべてのプロセスがスワップを待機している場合、システムはスワップデス状態にあると見なされます。^{[21] [22]}

スワップの死は、メモリのオーバーコミットの設定ミスにより発生する可能性があります。^{[23] [24] [25]}

「スワッピングによる死」問題の最初の説明は、X サーバーに関連しています。キー入力に応答するために X サーバーが使用するコードまたはデータがメイン メモリにない場合、ユーザーがキー入力を行うと、サーバーは 1 つ以上のページ フォールトを受け取り、キー入力を処理する前にそれらのページをスワップから読み取る必要があり、キー入力に対する応答が遅くなります。それらのページがメモリに残っていない場合、次のキー入力を処理するために再度フォールトする必要があり、実際には他のタスクを正常に実行している場合でも、システムは実質的に応答しなくなります。^[26]

macOSは複数のスワップファイルを使用します。デフォルトの（Apple推奨の）インストールでは、それらはルートパーティションに配置されますが、代わりに別のパーティションまたはデバイスに配置することもできます。^[27]

AmigaOS 4.0では、RAM の割り当てと物理メモリのデフラグを行う新しいシステムが導入されました。このシステムでも、デフラグできないフラットな共有アドレス空間が使用されています。このシステムは、スラブ割り当て方式とスワップを可能にするページング メモリに基づいています。ページングは​​ AmigaOS 4.1で実装されましたが、物理メモリがすべて使用されるとシステムがロックする可能性があります。^[28] スワップ メモリはいつでも有効または無効にすることができ、ユーザーは物理 RAM のみを使用するように選択できます。

仮想メモリ オペレーティング システムのバッキング ストアは、通常、RAMよりも桁違いに低速です。さらに、機械的なストレージ デバイスを使用すると、ハード ディスクの場合は数ミリ秒の遅延が発生します。したがって、可能な場合はスワッピングを減らすか、または排除することが望ましいです。一部のオペレーティング システムでは、カーネルの決定に影響を与える設定が提供されています。

• Linux には、システムページ キャッシュからページを削除するのではなく、ランタイム メモリをスワップアウトするバランスを変更する パラメーターが用意されています。/proc/sys/vm/swappiness
• Windows 2000、XP、および Vista では、DisablePagingExecutiveカーネル モード コードとデータがページ アウトの対象となるかどうかを制御するレジストリ設定が提供されています。
• メインフレームコンピュータでは、シーク時間を削減するために、ページおよびスワップストレージにヘッドパートラックディスクドライブまたはドラムが頻繁に使用され、回転待ち時間を削減するために同じデバイスに複数の同時要求を行ういくつかの技術^[29]が使用されました。
• フラッシュメモリの消去書き込みサイクルには限りがあり（フラッシュメモリの制限を参照）、一度に消去できるデータの最小量は非常に大きい場合があり（Intel X25-M SSD ^[30]の場合は128 KiB ）、ページサイズと一致することはほとんどありません。そのため、メモリが不足している状況でスワップ領域として使用すると、フラッシュメモリがすぐに消耗する可能性があります。フラッシュメモリの魅力的な点は、ハードディスクに比べて遅延がほとんどなく、 RAMチップのように揮発性がないことです。ReadyBoostやIntel Turbo Memoryなどのスキームは、これらの特性を活用するために作成されています。

多くのUnix 系オペレーティング システム ( AIX、Linux、Solarisなど) では、パフォーマンスを向上させるために、スワップ領域に複数のストレージ デバイスを並行して使用できます。

一部の古い仮想メモリ オペレーティング システムでは、プログラムが実行時データ用にメモリを割り当てるときに、スワップ バッキング ストアのスペースが予約されます。オペレーティング システム ベンダーは通常、割り当てるスワップ スペースの量に関するガイドラインを発行します。

ページングは​​、プロセスによって使用されるアドレスのサイズ (プロセスの「仮想アドレス空間」または「論理アドレス空間」) を、特定のコンピューターに実際にインストールされているメイン メモリの量 (物理アドレス空間) と異なるサイズにすることを可能にする 1 つの方法です。

ほとんどのシステムでは、プロセスの仮想アドレス空間のサイズは利用可能なメインメモリよりもはるかに大きくなります。^[31]例えば：

• CPU をメイン メモリに接続するアドレス バスが制限されている可能性があります。i386SX CPUの32ビット内部アドレスは 4 GB をアドレス指定できますが、アドレス バスに接続されているピンは 24 個しかないため、インストールできる物理メモリは 16 MB に制限されます。インストールできる RAM の最大量には、他のハードウェア制限がある場合があります。
• コストの問題、モデルの標準構成で省略されている問題、または購入者がそれが有利ではないと判断したために、最大メモリがインストールされない場合があります。
• ハードウェア アーキテクチャによって I/O やその他の機能用に大きな領域が予約されている場合があるため、すべての内部アドレスをメモリに使用できないことがあります。

真のnビット アドレス指定機能を備えたコンピュータには、 2 ^{n 個}のアドレス指定可能な RAM ユニットが搭載されている場合があります。例としては、 4  GBで物理アドレス拡張(PAE)のない32 ビットx86プロセッサがあります。この場合、プロセッサは搭載されているすべての RAM をアドレス指定できますが、それ以上の RAM はアドレス指定できません。

ただし、この場合でも、ページングを使用すると、物理メモリよりも多くの仮想メモリをサポートできます。たとえば、多くのプログラムが同時に実行される場合があります。これらのプログラムが一緒になる場合、システムにインストールできる量よりも多くの物理メモリが必要になることがありますが、そのすべてを一度に RAM に配置する必要はありません。ページング システムは、どのメモリをセカンダリ ストレージに割り当てるかを効率的に決定し、インストールされている RAM を最大限に活用します。

さらに、オペレーティング システムは、インストールされている RAM の制限を超えて大きくなる可能性のあるファイルなど、より大きなメモリを必要とするプログラムにサービスを提供する場合があります。ファイルのすべてをプロセスのアドレス空間に同時にマップすることはできませんが、オペレーティング システムでは、ファイルの領域をアドレス空間にマップし、別の領域をマップする必要がある場合はマップ解除することを許可する場合があります。

Magic-1、^[31] 、一部のPDP-11マシン、物理アドレス拡張を備えた32ビットx86プロセッサを使用する一部のシステムなど、一部のコンピュータでは、プロセスの仮想アドレス空間よりも大きなメインメモリを備えています。これにより、1つのプロセスが仮想アドレス空間の量よりも多くのメインメモリを使用することができないため、ページングの重要な利点が無効になります。このようなシステムでは、二次的な利点を得るためにページング技術がよく使用されます。

• 「追加メモリ」はページ キャッシュで使用して、頻繁に使用されるファイルや、ディレクトリ情報などのメタデータをセカンダリ ストレージからキャッシュできます。
• プロセッサとオペレーティング システムが複数の仮想アドレス空間をサポートしている場合は、「追加メモリ」を使用してより多くのプロセスを実行できます。ページングにより、仮想アドレス空間の累計が物理メイン メモリを超えることができます。
• プロセスは、tmpfsファイル システムやRAM ドライブ上のファイル システムなどのメモリ バックアップ ファイル システム上のメモリ マップ ファイルにデータを保存し、必要に応じてファイルをアドレス空間にマップしたり、アドレス空間からマップしたりできます。
• 一連のプロセスは、ページベースの分離によってマルチタスク環境にもたらされる強化されたセキュリティ機能に依然として依存する場合があります。

仮想アドレス空間の累計サイズは、使用可能な二次ストレージの量によって依然として制限されます。

Wikisource にはこの記事に関連する原文があります:

ページングゲーム

• Ubuntu ドキュメントによる事実と質問の交換
• Windows Server - ページファイルを別のパーティションまたはディスクに移動する (David Nudelman 著)
• HowStuffWorks.com の「仮想メモリの仕組み」(実際にはスワッピングの概念のみを説明しており、仮想メモリの概念は説明していません)
• Linux のスワップ領域管理 (著者も認めているように、時代遅れ)
• 仮想メモリ速度の最適化ガイド（古い）
• 仮想メモリページ置換アルゴリズム
• Windows XP: 仮想メモリ ページング ファイルのサイズを手動で変更する方法
• Windows XP: ページプールメモリの供給が枯渇する要因
• Windows のページング ファイルを Linux の swap パーティションに保存するために使用できる SwapFs ドライバー