「マルチタスク時のメモリの奪い合い/スラッシング」をシミュレーターで解説します！

2022-02-27　 主記憶管理

前回記事で、ページングとは何かを説明しました。今回はマルチタスク時の、各タスクのメモリの奪い合いの様子をシミュレーターで解説します。

おさらい：メモリが足りない場合は、、、ストレージ上に保存！

メモリは↓のような区画で管理されます。
もし、この区画が足りなくなったらどうなるでしょうか？必要なデータ保存領域がなくて、コンピューターが動けなくなってしまいますよね。

そうならないためにも、コンピューターは↓のように「メモリが足りなくなったら、ページファイルと呼ばれるストレージ上のファイルに代替保存」を行います。

ストレージのほうが、圧倒的に保存できる容量が広いので、これが使えれば溢れることはないんですね！

しかし、ストレージは遅いという問題があります。コチラのシミュレーターでも示している通り、CPUやメモリと比べて動画がめちゃくちゃ遅いんです！

そのため、「できる限りストレージにあるページファイルにアクセスしないよう、メモリを有効活用する」ことが重要なのです！
　

メモリ管理は通常LRUで行われる

メモリを有効活用するために、↓LRUというアルゴリズムを使うのが通常です。

「最近使われていないページ区画」とは、「一番使った時間が古いページ区画」です。もし、ページ区画が足りなくなったら、各ページで使った時間を記録していて、一番古いページ区画を見つけて追いやるんです！
　

「マルチタスク時のメモリの奪い合い」をシミュレーターで確認してみよう！

それでは、マルチタスク時のメモリの奪い合いが起きる様子をシミュレーターで確認してみましょう！

少しややこしいので前提から説明します！

前提1：各タスクの使用メモリを赤/青/緑で示しています

今回は3つのタスクが10秒ごとに切り替えて稼働する場合をシミュレーションします。各メモリ区域は、どのタスクが使っているかで赤/青/緑で色付けしています！

前提2：各データは使う頻度に差があり。その頻度の差を「数字」で示してます

実際のコンピューターでもそうですが、メモリにあるデータが全て平等にアクセスされることは稀です。大概は、1割のデータに9割のアクセスが集中するようなことが多いです。

このため、今回のシミュレーターは「書いてある数字に比例して呼ばれる頻度が高い」ようにしています。今回の場合、↓のように1~10というように数字が書かれていますが、「1のデータは、10のデータの1/10の確率でしか呼ばれない」という設定です。「数字が高いほど頻繁にアクセスされる＝追い出されにくい」状態になっています。

前提3:直近でアクセスされたデータほど濃く表示。古いデータほど白く表示

シミュレーターでも↑で示したLRU方式で、どのデータを追い出すか決めます。これがわかりやすいように、「直近でアクセスされたデータほど濃く」「触られていないデータほど白く」表示するようにしてます。

↓の絵だと、赤の「1」が一番白っぽく、追い出される候補になることを示しています。

前提4:メモリ容量は40区画固定で、各タスクのメモリ使用量をシミュレーターで変更できます

今回は↑の絵のようにメモリに40区画のデータがおける状況でシミュレートします。この状況で、総メモリ使用量が40より少ない場合、それ以上となった場合でどうなるか確認してみましょう！

「マルチタスク時のメモリの奪い合い」シミュレーター

　
各タスクのメモリ使用量：

シミュレーターの要点解説

ページファイル使用量が多くなると、タスク間のメモリの奪い合いになる！

総メモリ使用量が、↓のようにメモリ内に収まっているときには、効率よくどのタスクも走ります。

しかし、メモリからあふれてページファイルを使うようになると、どんどん遅くなっていき、、、↓のように大量にページファイルを使う場合は「タスク間のメモリの奪い合い」が発生します。

タスクが待ち状態になっているときには、メモリを使わないため、メモリ区画がどんどん古くなっていくため、ページファイルに追い出されるようになるんですね。

こうなると、毎回順番がくるたびにページファイルからメモリにデータを呼び込まないといけなくなり、それだけで処理が終わってしまう状態になります＞＜

このような状態を「スラッシング」といいます。ページングが多発しすぎて、処理が進まない悪い状態のことです。この状態だと通常時より何十倍/何百倍も遅くなってしまうんですね＞＜

このようなことが起こらないように、最適なメモリ容量を用意することが重要なんです！
　

[関連記事] 主記憶(メモリ)管理

1．メモリのページング方式管理と断片化

2．メモリの仮想記憶

3．ページング方式(ページイン/ページアウト)

4．メモリ容量とメモリ使用量の関係

5．マルチタスク時のメモリの奪い合い/スラッシング(本記事)