デマンドページング（要求時ページング）

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デマンドページングとは

デマンドページング（要求時ページング）とは、プログラム開始時に全ページを読み込まず、実際にアクセス（要求）された時点で初めてそのページを補助記憶から主記憶へ読み込む方式のことです。「demand（要求）」があってから運ぶ、という名前です。

身近な例で考えると、分厚い参考書のうち、今読むページだけをコピーして机に置くやり方に似ています。本全体（＝補助記憶のページ）はそのまま棚に残し、実際に必要になったページだけを手元（＝主記憶）に持ってくるイメージです。

上のツールで▶ボタンを押すと、起動直後は主記憶にページが無く、アクセスされたページだけが順次ロードされる様子を確認できます。

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仕組み

デマンドページングの動きは、ページフォールトを契機にした読み込みを繰り返すだけです。1ページ分の流れは次のとおりです。

・① 起動時：主記憶にはページをほぼ載せない
・② アクセス：プログラムがあるページを使おうとする
・③ ページフォールト：主記憶に無いので不在の割り込みが起きる
・④ ロード：そのページだけを補助記憶から読み込む
・⑤ 続行：読み込んだ後、処理を再開する

ここで大事なのは、一度も使われないページは最後まで読み込まれないという点です。上のツールでも、未使用のページは「空き」のまま残ります。

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利点

デマンドページングの利点は、「必要な分だけ運ぶ」ことから生まれる無駄のなさです。主な利点は次のとおりです。

・起動が速い：起動時に最初に使うページだけ読めばよいので、全部読み込むより速く動き出せる
・主記憶を節約できる：実際に使うページしか主記憶を占有しない
・無駄なロードを避ける：一度も使わないページは読み込まないので、ディスクの読み込みが減る

対照的な方式にプリページング（先読み）があります。これは「次に使いそうなページをまとめて先に読んでおく」やり方で、ページフォールトの回数を減らせる反面、予想が外れると使わないページまで読んでしまいます。デマンドページングは「使うと分かってから読む」点でこれと対照的です。

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なぜ実メモリより大きく使えるか

結論： デマンドページングを使うと、プログラム全体のサイズが主記憶（＝物理的なメモリ）より大きくても動かせます。これを仮想記憶（バーチャルメモリ）と呼びます。

なぜそれが可能かというと、プログラムは「全ページを同時に使うわけではなく、そのとき実行している一部分だけを使う」からです。つまり次の流れです。
・主記憶には今使っているページだけを置く
・残りのページは補助記憶（SSDやHDDなど）に置いたまま
・別のページが必要になったら、古いページと入れ替えて読み込む

身近な例で言うと、小さな机（＝主記憶）でも、必要な本を棚（＝補助記憶）から入れ替えながら使えば、棚の本全部を読み終えられるのと同じです。机が小さくても本全体の情報にアクセスできるのは、一度に全部広げないからです。この仕組みのおかげで、OSは「メモリが実際より広い」かのようにプログラムに見せることができます。

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ページフォールトとページ置換の関係

ページフォールトが起きたとき、必ずページ置換（＝主記憶上の古いページを追い出して新しいページを入れること）が起きるわけではありません。主記憶に空きフレームがあるかどうかで動きが変わります。

・空きフレームがある場合：そのままそのページを読み込んで枠に置けばよい
・枠が全部埋まっている場合：どれか1枚を追い出してから読み込む（これがページ置換）

どのページを追い出すかを決めるルールがページ置換アルゴリズム（＝追い出すページの選び方のルール）です。代表例が次のページで学ぶLRU（最も長く使われていないページを追い出す）やFIFO（最初に読み込んだページから順に追い出す）です。追い出し方が下手だと、すぐまた同じページが必要になってフォールトが増え、処理が遅くなります。

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