なぜPCやスマホは安定して動く？OSの心臓部「MMU」の仕組みを徹底解説！

2025 9/08

2025年7月13日 2025年9月8日

「たくさんのアプリを同時に開いても、なぜかPCは安定して動いている」「スマホでゲームをしながら音楽を聴いても、アプリ同士が干渉しないのはなぜ？」

こんな疑問を持ったことはありませんか？私たちが日常的に使っているPCやスマートフォン、いわゆる「リッチOS」（Windows, macOS, Linux, Androidなど）が、これほど高度で安定した動作を実現できる裏には、**メモリ管理ユニット（MMU: Memory Management Unit）**という、目立たないながらも極めて重要なハードウェアの存在があります。

この記事では、コンピュータの縁の下の力持ちであるMMUが、一体どのような役割を果たしているのか、そしてなぜ現代のOSに不可欠なのかを、仮想メモリやセキュリティの観点から、初心者の方にも分かりやすく徹底解説します。

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MMUとは？コンピュータの「記憶の司令塔」

MMUは、CPUに内蔵された、メモリに関するあらゆる処理を管理する「司令塔」のようなハードウェアです。その主な役割は、大きく分けて二つあります。

アドレス変換：住所を翻訳する魔法 CPUがプログラムを動かすとき、「このデータはメモリのこの住所にある」という指示を出します。しかし、この「住所」は実は仮想アドレスという架空のものです。MMUは、この架空の住所を、実際の物理メモリ（RAM）上の物理アドレスという本当の住所に瞬時に翻訳（変換）します。この「住所を翻訳する」という一手間が、後述する仮想メモリという強力な機能を生み出すのです。
メモリ保護：アプリ間の鉄壁の守り MMUは、各アプリ（プロセス）が使用できるメモリの範囲を厳密に管理し、他のアプリの領域や、OS自身の重要な領域に不正にアクセスできないように見張っています。これにより、あるアプリがバグで暴走しても、他のアプリやシステム全体を巻き込んでクラッシュさせるのを防ぎ、システムの安定性とセキュリティを確保しているのです。

ろぼてく

イマイチわかりづらいMMU！この記事で徹底的に解説します。

この記事を書いた人

某電機メーカーエンジニア
エンジニア歴10年以上

MMUがもたらす最大の恩恵「仮想メモリ」という幻想

MMUの最も強力な機能が仮想メモリの実現です。これは、各アプリに対して「物理メモリの容量よりもはるかに大きな、自分専用の広大なメモリ空間がある」という幻想を見せる技術です。

デマンドページング：必要なものだけを、必要な時に

仮想メモリの中核をなすのが「デマンドページング」です。これは、賢い遅延読み込み戦略です。

アプリを起動しても、その全てのデータを一度にメモリに読み込むことはしません。
まずは実行に最低限必要な部分だけをメモリにロードします。
アプリがまだメモリにないデータにアクセスしようとすると、MMUがそれを検知してページフォルトという通知をOSに出します。
ページフォルトはエラーではなく、「このデータが必要になりました！」というOSへの合図です。OSは通知を受け取ると、ディスク（SSDやHDD）から必要なデータを読み込んでメモリ上の空きスペースに配置し、アプリの処理を再開させます。

この仕組みにより、物理RAMが16GBしかないPCでも、合計で32GB以上になるような巨大なアプリケーションを同時に動かすことが可能になります。使われていないデータは一時的にディスクに退避（スワップアウト）され、ディスクがRAMの延長線上にあるかのように振る舞うのです。

仮想メモリがもたらすメリット

プログラミングの簡素化：プログラマは物理メモリのサイズを気にすることなく、巨大なメモリを独り占めしているかのようにプログラムを書けます。
メモリの有効活用：物理的にはバラバラに配置されているメモリの断片を、仮想的には連続した一つの塊としてアプリに見せることができます。これにより、メモリの隙間（外部断片化）をなくし、無駄なくリソースを使い切ることができます。

鉄壁の守り！MMUによるメモリ保護の仕組み

安定したマルチタスク環境の基盤は、プロセス同士が互いに干渉しない「分離」にあります。MMUは、この分離をハードウェアレベルで強制します。

ユーザー空間 vs カーネル空間

OSは、システム全体を管理する「カーネル」と、一般的なアプリが動作する「ユーザー」という二つの世界（空間）を厳密に分けています。カーネルは最高権限を持ち、ハードウェアを直接操作できますが、ユーザーアプリの権限は厳しく制限されています。

MMUは、この二つの空間の境界を守る門番の役割を果たします。ユーザーアプリがカーネルのメモリ領域にアクセスしようとすると、MMUがそれを検知してブロックし、不正な操作からシステム全体を守ります。

プロセス間の完全な分離

MMUのおかげで、OSはプロセスごとに完全に独立した「仮想アドレス空間」、つまり専用の「住所録（ページテーブル）」を割り当てることができます。プロセスAの仮想アドレス

0x1000と、プロセスBの同じ仮想アドレス0x1000は、MMUによって全く異なる物理メモリ上の場所にマッピングされます。これにより、プロセスAがプロセスBのメモリを覗き見したり、書き換えたりすることは原理的に不可能になり、堅牢なプロセス分離が実現されるのです。

MMUの応用技術：`fork()`を高速化するコピーオンライト(CoW)

MMUの能力は、さらに高度な最適化技術も可能にします。その代表例が**コピーオンライト（Copy-on-Write, CoW）**です。

LinuxなどのOSでは、fork()というシステムコールで新しいプロセスを生成します。素朴な実装では、親プロセスのメモリをすべて子プロセスに丸ごとコピーしますが、これでは時間もメモリも無駄になります。

そこでCoWが登場します。

fork()が呼ばれると、OSはメモリをコピーせず、親子で物理メモリを共有させます。
同時に、MMUを使って共有しているメモリページを**書き込み禁止（Read-Only）**に設定します。
親子どちらかのプロセスが、その共有ページに書き込みをしようとすると、MMUがそれを検知してページフォルトを発生させます。
OSのフォルトハンドラは、これがCoWのためのフォルトだと認識し、その瞬間に初めて物理ページをコピーして、書き込みを試みたプロセスに専用の新しいページを割り当てます。

この「書き込みが発生するまでコピーを遅延させる」賢い仕組みにより、fork()は極めて高速に完了し、システムのパフォーマンスとメモリ効率が劇的に向上するのです。

もしもMMUがなかったら？

MMUの重要性を理解するために、MMUがない世界を考えてみましょう。

uClinuxの世界: MMUを持たないCPU向けに作られたLinuxカーネルの派生版がuClinuxです。uClinuxでは仮想メモリが存在せず、全プロセスが同じ物理アドレス空間を共有します。その結果、一つのアプリのバグがシステム全体をクラッシュさせたり、CoWが使えないため fork()が実装できなかったり、物理RAMのサイズを超えるプログラムは実行できないなど、深刻な制約を抱えます。
MPU（メモリ保護ユニット）: MPUは、メモリ保護機能だけを持つ簡易版のハードウェアです。タスク間のメモリを保護することはできますが、MMUの核である アドレス変換機能を持ちません。そのため、仮想メモリやCoWといった、リッチOSの根幹をなす機能を実現することはできません。