キャッシュメモリと仮想メモリ

キャッシュメモリと仮想メモリの違いは、その使い方と物理的な存在にある。キャッシュメモリは、メインメモリのアクセス時間を向上させるために使用されるメモリの一種である。CPUとメインメモリの間に位置し、L1、L2、L3など複数のレベルのキャッシュを持つことができる。 メインメモリに使われるRAM（ランダムアクセスメモリ）よりもキャッシュの方がはるかに高速なため、キャッシュに使われるタイプのハードウェアはより高価である。その結果、キャッシュの容量が非常に小さくなってしまうのです。仮想メモリとは、RAM（メインメモリ）を効率的に利用するためのメモリ管理手法で、実際の物理的なRAM（メインメモリ）よりも大きな容量を持つメモリ空間を各プログラムに個別に提供するものです。ここでは、ハードディスクを使用してメモリを拡張しています。物理RAMにある項目は、ハードディスクと相互に転送されます。

キャッシュメモリーは何ですか？

キャッシュとは、CPU（Central Processing Unit）とRAM（Random Access Memory）の間にあるメモリの一種である。キャッシュの目的は、CPUがRAMからメモリにアクセスする時間を短縮することである。キャッシュはRAMよりはるかに高速です。そのため、キャッシュのアクセスタイムはRAMのアクセスタイムよりはるかに短い。しかし、キャッシュ用のメモリコストはRAM用のメモリコストよりもはるかに高いため、キャッシュの容量は非常に小さくなっています。キャッシュに使用されるメモリはSRAM（Static Random Access Memory）と呼ばれるタイプです。

CPUはメモリにアクセスしようとすると、まず必要なものがキャッシュメモリに存在するかどうかを確認する。もしそうであれば、最小限のレイテンシーでアクセスできるようになる。キャッシュに存在しない場合、要求されたコンテンツはRAMからキャッシュにコピーされ、その後CPUのみがキャッシュからアクセスすることになる。ここで、キャッシュからコンテンツをコピーする場合、要求されたメモリアドレスのコンテンツだけでなく、その近傍のコンテンツもキャッシュにコピーされる。そのため、ほとんどのコンピュータプログラムは、近くのデータや最後にアクセスしたデータにアクセスするため、キャッシュヒットが次に発生する確率が高くなる。その結果、キャッシュにより平均メモリレイテンシが短縮される。

CPUには、プログラム命令を格納する命令キャッシュ、データ項目を格納するデータキャッシュ、メモリマップを格納する変換ルックアップバッファの3種類のキャッシュが存在する。データキャッシュの場合、通常、複数レベルのキャッシュが存在する。つまり、L1、L2、L3といった複数のキャッシュが存在する。レベル1キャッシュは最も高速だが、CPUに最も近い最小のキャッシュである。第2レベルキャッシュは、第1レベルキャッシュより低速だが、第1レベルキャッシュより大きく、第1レベルキャッシュの後に常駐している。この階層構造により、より良い平均メモリアクセス時間を低コストで得ることができます。

仮想メモリは何ですか？

仮想メモリとは、コンピュータシステムで使用されるメモリ管理手法の一つです。仮想メモリというハードウェアはありませんが、RAMやハードディスクを使ってプログラムのアドレス空間を仮想的に提供する概念です。最初のRAMはページと呼ばれるブロックに分割され、物理メモリアドレスで識別されます。ハードディスクには、Linuxではスワップ、Windowsではページファイルと呼ばれる特別なセクションが確保されている。プログラムの起動時には、実際の物理メモリよりも大きな仮想アドレス空間が与えられる。また、仮想メモリ空間はページと呼ばれるブロックに分割されており、各仮想メモリページは物理ページにマッピングすることができる。pagetableと呼ばれるテーブルがこのマッピングを記録しています。物理的なメモリ容量が足りないときに行われるのは、特定の物理ページをハードディスクの特定の場所に押し込むことです。あるページを再びハードディスクにプッシュする必要があるときは、物理メモリから選択した別のページをハードディスクに入れることで、物理メモリに取り込みます。

キャッシュメモリーと仮想メモリの違い

-キャッシュは、メインメモリのアクセス時間を向上させるために使用されるメモリの一種です。CPUとRAMの間に存在し、メモリアクセスの平均レイテンシを短縮する高速タイプのメモリです。仮想メモリとは、メモリ管理方法の一つで、プログラムが実際に使用できる物理的なRAMよりもさらに大きな仮想メモリ空間を得ることができる概念である。

-キャッシュは、実際に存在するハードウェアメモリの一種です。一方、仮想メモリは、RAMやハードディスク、メモリ管理装置、ソフトウェアなどを使って仮想的な種類のメモリを提供する概念であり、仮想メモリというハードウェアは存在しない。

-仮想メモリは、オペレーティングシステム（ソフトウェア）によって管理されます。

-キャッシュは、RAMとプロセッサの間にあります。データ転送には、RAM、キャッシュ、プロセッサが含まれます。一方、仮想メモリは、RAMとハードディスクの間でデータの転送を行うものです。

-キャッシュのサイズは、キロバイトやメガバイトなど非常に小さい。一方、仮想メモリはギガバイトを必要とする巨大なものである。

-仮想メモリには、物理メモリと仮想メモリ間のマッピングを格納するページテーブルなどのデータ構造が含まれます。しかし、このようなデータ構造はキャッシュには必要ない。

概要

キャッシュメモリと仮想メモリ

キャッシュメモリはメインメモリのアクセス時間を改善するために使用され、仮想メモリはメモリ管理の方法の一つである。キャッシュメモリは実際のハードウェアですが、仮想メモリというハードウェアはありません。 RAMやハードディスクなどさまざまなハードウェアとOSが一緒になって仮想メモリという概念を作り出し、プログラムごとに大きな仮想メモリ空間を提供しているのです。キャッシュメモリの内容はハードウェアが管理し、仮想メモリの内容はオペレーティングシステムが管理する。

1. Hellispのキャッシュ処理 (CC by-SA 3.0)
2. エハンバーグの仮想メモリ（CC by-SA 3.0）