メモリ管理

メモリ管理とは

メモリ管理とは、コンピュータのメモリ資源を効率的に利用するための技術です。具体的には、プログラム（プロセス）が要求するメモリ領域を割り当て、不要になったメモリ領域を解放して再利用可能にするプロセスを指します。現代のコンピュータシステムでは、CPU（特にメモリ管理ユニット、MMU）とオペレーティングシステム（OS）が連携し、仮想記憶やメモリ保護といった高度な機能を提供することで、メモリ管理の効率化と安全性を両立させています。

また、メモリ管理は単にメモリ領域の割り当てと解放だけでなく、様々なデータ構造を線形空間であるメモリ上にどのように配置し、管理するかというアルゴリズムについても含まれます。

仮想記憶

現代のOSにおけるメモリ管理の代表的な機能として仮想記憶があります。仮想記憶システムは、プロセスが使用するアドレス空間（仮想アドレス）を物理アドレスから分離することで、以下の2つの重要な利点を提供します。

1. プロセス間分離: 各プロセスは独立したアドレス空間を持つため、他のプロセスが使用しているメモリ領域に誤ってアクセスすることを防ぎ、システム全体の安定性を向上させます。
2. 利用可能メモリの拡張: 物理メモリよりも大きな仮想アドレス空間をプロセスに提供することで、物理メモリの容量以上のプログラムを動作させることが可能になります。

仮想記憶の品質は、OS全体の性能に直接影響するため、効率的な仮想記憶管理は非常に重要です。また、プロセス間通信の一種である共有メモリは、仮想記憶を利用して異なるプロセス間でメモリを共有する機能を提供します。

仮想記憶以前のメモリ管理

仮想記憶を実現するためには、メモリ管理ユニット（MMU）が必須です。MMUがCPUに内蔵される以前は、バンク切り換えなどの技術を用いてメモリ拡張が行われていました。例えば、MS-DOSでは、メモリマネージャと呼ばれるプログラムが開発され、OSの一部を通常の位置から移動させ、アプリケーションがより多くのメモリを使用できるようにする工夫がなされていました。

動的メモリ確保

プログラムの実行中に必要なメモリ領域を動的に確保する手法も、メモリ管理において重要な役割を果たします。これにより、プログラムの実行中に可変長のデータ構造を扱うことが可能になります。動的メモリ確保には、`malloc`や`new`などの関数が使用されますが、確保したメモリは不要になった際に`free`や`delete`で解放する必要があります。メモリの解放を怠ると、メモリリークが発生し、システム全体の動作に悪影響を及ぼす可能性があります。

ガベージコレクション

ガベージコレクションは、動的に確保されたメモリ領域のうち、プログラムから参照されなくなったものを自動的に解放する機能です。ガベージコレクションを搭載したプログラミング言語（例えば、JavaやPythonなど）では、メモリリークのリスクを低減し、プログラマーがメモリ管理に煩わされることなく開発に集中できるようになります。

その他のメモリ管理関連技術

ページング方式: 仮想記憶を実現するために、仮想アドレス空間を固定長のブロック（ページ）に分割し、物理メモリ上のページと対応付ける方式。
ページテーブル: 仮想アドレスと物理アドレスの対応関係を記録したテーブル。
ページフォールト: 仮想アドレスに対応する物理ページがメモリ上にない場合に発生する例外。
単一レベル記憶: 仮想記憶と物理記憶の区別を意識せずに、全てのデータを統一的に扱うことができるメモリシステム。
メモリ管理ユニット(MMU): 仮想アドレスと物理アドレスの変換を行うハードウェア。

関連事項

参照 (情報工学))
ポインタ (プログラミング)
仮想記憶
ページング方式
ページテーブル
ページフォールト
単一レベル記憶
* メモリ管理ユニット

メモリ管理は、コンピュータシステムの効率性と安定性を維持するために不可欠な技術であり、プログラマーだけでなく、コンピュータを利用する全ての人にとって重要な概念です。

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