セグメンテーションとメモリ保護

🎓 レベル：発展　|　重要度：B（推奨）

📎 前提：仮想記憶とページング　|　関連：物理メモリと論理アドレス・競合状態とクリティカルセクション

要点（BLUF）

セグメンテーションは、メモリを「コード・スタック・ヒープ」など**意味のあるまとまり（セグメント）**単位で管理する方式。各セグメントは可変長で、ベース＋長さで表す。
可変長ゆえに外部断片化（空きが細切れで使えない）が起きる。固定長ページングの内部断片化（ページ末尾の余り）と対をなす。
現代はページングを土台に、ページ単位の保護ビット（読み/書き/実行可否）で保護を実現。不正アクセス（NULL参照・実行不可領域の実行）をハードが弾く。

概念 ── ページとは別の切り方

仮想記憶とページングは空間を固定サイズで機械的に切りました。これは管理が楽な反面、プログラムの論理構造（ここはコード、ここはスタック）を無視します。

セグメンテーションは逆に、論理的なまとまりで切ります。プロセスのアドレス空間を「コードセグメント」「データセグメント」「スタックセグメント」のように、意味のある可変長ブロックに分け、各セグメントを「ベース（物理開始）＋リミット（長さ）」で管理します（物理メモリと論理アドレスのベース＋リミットをセグメント単位に拡張したもの）。

flowchart LR
    subgraph L["論理アドレス（セグメント番号 + オフセット）"]
      s0["セグ0: コード"]; s1["セグ1: データ"]; s2["セグ2: スタック"]
    end
    subgraph T["セグメントテーブル"]
      t0["0: ベース/長さ/権限"]; t1["1: ..."]; t2["2: ..."]
    end
    s0-->t0; s1-->t1; s2-->t2

利点は、まとまり単位で権限（コードは実行可・読み取り専用、スタックは書き込み可・実行不可）を付けやすいこと、セグメント単位で共有しやすいこと。欠点が断片化です。

仕組み ── 2種類の断片化

メモリ割り当てには、形の違う「ムダ」が2種類あります。

種類	どこで起きるか	中身
外部断片化	可変長割り当て（セグメント方式）	空きの総量は足りるのに、細切れで連続領域が取れず使えない
内部断片化	固定長割り当て（ページング）	要求が単位に満たず、割り当てた単位の末尾が余る

flowchart TB
    subgraph EXT["外部断片化（可変長）"]
      a["使用"]; g1["空き(小)"]; b["使用"]; g2["空き(小)"]; c["使用"]
      note1["空きの合計は足りても連続が取れない"]
    end
    subgraph INT["内部断片化（固定長ページ）"]
      p["ページ4KB（実データ3KB + 余り1KB）"]
    end

ページングが主流になったのは、外部断片化を避けられるからです（空きフレームはどれも等価で、連続性が要らない）。代償の内部断片化は最大でも1ページ未満で抑えられる。多くのCPUはページングを基盤に、セグメントの利点（領域別の権限）はページの保護ビットで実現する折衷を採ります。

仕組み ── 保護ビットによるメモリ保護

ページテーブル（仮想記憶とページング）の各エントリには、フレーム番号と有効ビットに加えて保護ビットがあります。

R（読み取り可）／W（書き込み可）／X（実行可）
ユーザ/カーネルのどちらがアクセスできるか

アクセスのたびにMMUがこれを照合し、違反（読み取り専用ページへの書き込み、実行不可ページのコード実行、未マップ領域への参照）があれば例外を上げ、OSが介入します。典型例：

NULLポインタ参照：仮想アドレス0付近を未マップにしておけば、*NULL はページフォルトでクラッシュ（暴走前に止まる）。
W^X（書き込みと実行の排他）：書き込み可能なページは実行不可、実行可能なページは書き込み不可にして、データを命令として実行する攻撃を防ぐ。
コピーオンライト（CoW）：fork（プロセスとスレッド）直後は親子で同じ物理ページを読み取り専用で共有し、どちらかが書いた瞬間にだけ複製する。書き込み保護違反を「複製の合図」として使う賢い応用。

要するに保護は、ハードが毎アクセス強制チェックするから成立します。ソフトの約束（規約）では破れますが、MMUの照合は迂回できません（OSの役割とカーネルの特権分離と同じ思想）。

仕組みの直観 ── なぜこの設計か

ページングを土台にする理由：外部断片化を構造的に消せる。固定サイズの代償（内部断片化）は1ページ未満に限定でき、管理コストが小さい。
保護ビットをページに持たせる理由：変換のついでに権限照合できる（MMUがどうせ毎回引く）。専用の保護機構を別に作るより安い。
W^XやCoWの理由：保護違反という「例外」を、セキュリティ強化や遅延コピーのフックとして再利用している。例外機構の使い回しが効いている。

⚠️ よくある誤解・落とし穴

「セグメンテーションとページングは排他」→ 併用できる（x86は歴史的に両方持つ）。現代は実質ページング＋保護ビット。
「断片化は1種類」→ 外部（可変長）と内部（固定長）で原因が逆。方式選択のトレードオフ。
「Segmentation faultはセグメント方式のエラー」→ 名前の由来はそうだが、実体は保護違反/未マップアクセス全般。ページングでも出る。
「保護はOSが毎回チェック」→ 毎アクセスのチェックはMMU（ハード）。OSは表と権限を設定し、違反時に呼ばれるだけ。

対応ラボ

なし（保護違反は OSの役割とカーネルのstraceや、NULL参照プログラムのクラッシュで観察可能）。