基本情報 平成29年度 春期 問29：テクノロジ系に関する問題

答えは a です。

ページング方式の仮想記憶は、メモリを「ページ」という小箱に区切って管理し、よく使うページだけ主記憶（机の上）に置き、残りは補助記憶（引き出し）にしまっています。

ページフォールト＝必要なページが机の上になく、引き出しから取りに行く事態。これが多いと処理が止まる時間が増えます。

👉 覚え方：主記憶にない＝取りに行く＝ページフォールト発生！

ほかの選択肢：b は主記憶にあるページにアクセス→フォールトしない／c は更新の有無は発生要因ではない／d は時間経過は直接の発生要因ではなく、アクセス自体が引き金。

なぜこれが正解か

正解は a。ページング方式の仮想記憶では、要求されたページが主記憶（物理メモリ）に存在しない場合にページフォールトが発生し、補助記憶（スワップ領域）から該当ページを読み込む。よって主記憶に存在しないページへのアクセスが増えれば、フォールト発生回数も比例して増加する。

各選択肢の解説

• a：主記憶不在ページへのアクセス増加＝フォールト直接要因 → 正解。
• b：主記憶にあるページへのアクセス（ヒット）はフォールトを起こさない。
• c：ページが更新されたかどうかは、置換時の書き戻し（ダーティビット）に影響するだけでフォールト発生数とは無関係。
• d：「長時間アクセスしなかった主記憶のページ」はLRU等で追い出される候補ではあるが、追い出された後の再アクセスが起きて初めてフォールト。アクセス自体が直接要因ではない。

覚え方・ひっかけ注意

「主記憶にない→取りに行く→フォールト」の3段論法。dの「長時間アクセスしなかった」は紛らわしいが、ページが主記憶にあるうちはアクセスしてもフォールトしない。スラッシングはフォールトが多発しすぎてCPUがほぼ全部入出力待ちになる現象、と関連付けて覚える。

理論的背景

ページフォールト発生率はワーキングセット（プログラムが直近アクセスしたページ集合）と物理メモリ容量の関係で決まる。Denningのワーキングセットモデルでは、各プロセスのワーキングセット合計が物理メモリを超えるとフォールトが急増しスラッシングに移行する。フォールト処理コストはL1ヒット（数ns）と比較すると100万倍以上（数ms＝ディスクI/O）の差があり、性能への影響は甚大。

ページ置換アルゴリズム

どのページを追い出すかで以降のフォールト回数が変わる：

• OPT（理論最適）：以後最も長く使われないページを追い出す。実装不可だが評価基準。
• LRU：最近最も使われていないもの。実装には参照ビットの周期スキャンやclock algorithmを使う。
• FIFO：実装簡単だがBeladyの異常（メモリを増やしてもフォールトが増える）が起きうる。
• NRU / 二次チャンス：参照ビット+ダーティビットによる近似LRU。

試験での位置づけ

FE「OS／メモリ管理」分野で頻出。フォールト発生要因、置換アルゴリズム、スラッシング、TLBミス、ページサイズのトレードオフはセットで問われる。応用情報以降ではマルチレベルページテーブル、逆ページテーブル、Huge Pageまで踏み込む。

実務での重要性

• DBMSのバッファプール設計、Linuxのvm.swappiness調整、JVMのヒープサイズ設定はすべてフォールト最小化が目的。
• コンテナ環境ではmemory cgroupによる制限がフォールト多発の原因になりがち。kubernetesのOOM Killer発火パターン理解に必要。
• SSDスワップは従来HDDより高速だが、依然L1/L2キャッシュとの差は5〜6桁あり、最小化が原則。

選択肢の発展補足

cの「更新されたページの比率」はページ置換時のディスク書き戻しコスト（dirty page writeback）に影響する。Linuxでは`dirty_ratio`や`pdflush/bdflush`がこれを制御。dの「長時間アクセスしないページ」はLRU/clock方式での追い出し対象となる重要概念で、フォールトの間接要因。