Javaガベージコレクション¶

目次
Javaガベージコレクション

ガベージコレクションの搭載状況¶

JDKのバージョンと、JDKに搭載されるガベージコレクションの種類を下表に示します。

JDK 1.0

JDK 1.1

JDK 1.2

JDK 1.3

JDK 1.4

JDK 5

JDK 6

JDK 7

JDK 8

JDK 9

JDK 10

JDK 11

JDK 12

JDK 13

JDK 14

JDK 15

JDK 16

JDK 17

JDK 18

JDK 19

JDK 20

mark-sweep collector

Incremental GC

Serial GC

Parallel GC

Concurrent Mark Sweep GC

G1GC

ZGC

Shenandoah GC

GCの種類¶

mark-sweep collector
初期のJavaVM搭載GC。シングルスレッドで動作。部分的なコンパクションを実施（mark-sweep-compact collectorでもある）
Incremental GC
Trainアルゴリズムによる停止時間最小化を図るGC。
Serial GC
世代別GC。シングルスレッドで動作。若い世代はcopying collector、古い世代はmark-sweep
Parallel GC
世代別GC。Stop the World（STW）を並列処理で動作。若い世代は並列copying collector、古い世代はmark-sweep
古い世代のSTWが並列処理になるのはJDK 5以降
Concurrent Mark Sweep GC
世代別GC。若い世代は並列copying collector、古い世代はconcurrent collector
G1GC
世代別GC。ヒープを固定サイズの領域群に分割し、領域を若い世代（EdenとSurvivor）、古い世代に分類し、それぞれ並列copying collector
ZGC
非世代別、遅延最小化を目指すGC。コストのかかる処理をアプリケーションと並行し、stop-the-worldを極小化(10ms以下）する。
Shenandoah GC
非世代別で領域分割GC。アプリケーションスレッドと並行してGCのマーク処理、退避処理、参照更新を行う。アプリケーションスレッドを一時停止するのは、初期マーク、最終マーク、初期参照更新、最終参照更新のわずかな時間に留める。

ガベージコレクションの選択¶

JavaVMは、複数のガベージコレクターが搭載されており、利用者がオプションで選択できるようになっています。

ガベージコレクションの種類¶

JDK 1.3以降、世代別ガベージコレクション（GC）が使われています。世代別GCは、若い世代のヒープ領域を対象とするマイナーGC、旧い世代のヒープ領域を対象とするフルGCで構成されます。世代別GCにもいくつかガベージコレクターの種類があります。

Java SE 8に搭載されているGCの種類¶

シリアルコレクター
単一CPU（スレッド）でGC処理を実行する。マイナーGC／フルGCともに処理中はアプリケーションを停止させるStop-the-world（STW）あり。小さなヒープ（100MB以下）を対象とする。
パラレルコレクター（スループット型）
複数CPU（スレッド）でGC処理を実行する。マイナーGC／フルGCともにSTWあり。単位時間あたりのGC処理効率を停止時間よりも優先する。
Concurrent Mark Sweep（CMS）
可能な限りアプリケーションの動作と並行してGC処理を実行し、GC処理によるアプリケーション停止時間（STW）を極力少なくする。マイナーGCはSTWあり、フルGCは基本STWなし（markフェーズで短時間のSTWあり）、CMSが機能しなくなったとき（断片化の著しい進行、CPUリソース不足など）はシリアル型のフルGCを実施（コンパクションなど）。
G1GC
領域分割し、領域毎に若い世代、旧い世代を設定する。可能な限りアプリケーションの動作と並行してGC処理を実行し、GC処理によるアプリケーション停止時間（STW）を極力少なくする。大きなヒープ（おおよそ4GB以上）を主な対象とする。フルGCもコピーコレクターを使用しコンパクションも行われる。

どれを選択するかはトレードオフの問題です。

出典：「Javaパフォーマンス」（オライリー刊 2015年）

Java SE 9以降のJDKへのGCの搭載状況¶

ZGC
Experimentalな搭載は、Linux/x64版はJDK 11、Linux/AArch64版はJDK13、macOS版とWindows版（Windows 10 1803+、Windows Server 2019+）はJDK 14
Productionな搭載は、JDK 15
領域分割し、世代別管理はしない。カラーポインタでオブジェクトの状態（マーク済み、退避済み）を管理、退避リージョンにフォワーディングテーブルを設け退避したオブジェクトの参照を管理する。

Shenandoah GC
Experimentalな搭載は、Linux/x64版はJDK 12の一部のディストリビューション
Productionな搭載は、JDK 15
領域分割し、世代別管理はしない。並列マークに加え、並列コンパクション（brooks pointer）を行う。

GCの種類補足¶

GC種類	若い世代のGC	旧い世代のGC
シリアルコレクター	STWなシリアルScavenger	STWなシリアルMark-Sweep-Compact
パラレルコレクター	STWなパラレルScavenger	STWなパラレルMark-Sweep-Compact
CMS	STWなパラレルScavenger¹	Concurrent Mark-Sweep
G1GC	Fully-young collection	Partially-young collection
ZGC	世代別は採用せず
Shenandoah GC	世代別は採用せず

¹ パラレルコレクターの並行Scavengerとは違う、CMSと連携する"ParNew"。性能はやや遅い模様。

パラレルScavenger¶

STWあり、複数のGCスレッド

CMS¶

アプリケーションと並行して(Concurrent)GCの処理を行う。但し、GC処理の一部ではアプリケーションを停止させる
- マイナーGC: ここはParallel Scavenger（並列コピーGC）が使われる
- メジャーGCのうち、初期マーク処理とリマーク処理

G1GC¶

ヒープを等サイズのリージョンに分割し、リージョン単位でGCを行う。
GCの対象とするリージョンを選び、リージョン内の生存オブジェクトを別の空きリージョンへコピーした後、そのリージョンを初期化（空きリージョン）とする
並行マーキングと退避から構成
並行マーキングは、1.初期化マーク／2.並行マーク／3.最終マーク／4.生存オブジェクトカウント／5.後始末の5フェーズで、STWは1.と3.と5.
退避は、1.回収集合選択／2.ルート退避／3.退避の3つで、いずれもSTW
マイナーGC（Fully-young collection）は、すべての若い世代リージョンを回収集合として選択
メジャーGC（Partially-young collection）は、すべての若い世代リージョンと一部の旧い世代リージョンを回収集合として選択
若い世代リージョンには、生成リージョンと残存リージョンがある

ZGC¶

リージョンベース（世代管理なし）
並行（Concurrent）GC
1.初期化マーク／2.並行マーク（リマーク）／3.最終マーク／4.並行コンパクション／5.フォワーディングテーブル作成の5フェーズで、STWは1.と3.
停止時間の極小化を目指したGCで、使用メモリ量が多くてもGC停止時間を増やさない
8MB～16TBのヒープサイズを扱う
コンパクション
未使用メモリをOSへ返却
オブジェクトの64bitヘッダーでカラーポインタ管理

Shenandoah GC¶

リージョンベース（世代管理なし）
並行（Concurrent）GC
1.初期化マーク／2.並行マーク／3.最終マーク／4.並行クリーンアップ／5.並行退避／6.参照更新初期化／7.並行参照更新／8.最終参照更新／9.並行クリーンアップの9フェーズで、STWは1.と3.と6.と8.
ブルックスポインタを導入し、停止（STW）せずに退避したオブジェクトの参照を可能に

デフォルトで使われるガベージコレクタ¶

Java SE 8¶

OS	JavaVM	リソース	ガベージコレクタ
Windows	32bit	ー	シリアルコレクタ
Windows	64bit		パラレルコレクタ
Linux	32bit	1CPUまたは2GBメモリ未満	シリアルコレクタ
	32bit	2CPU以上かつ2GBメモリ以上	パラレルコレクタ
	64bit	ー	パラレルコレクタ

出典: http://docs.oracle.com/javase/jp/8/docs/technotes/guides/vm/server-class.html

CMSとG1GCを使うにはJavaVMオプションで明示的に指定します。

Java SE 9以降¶

計算機スペック	ガベージコレクタ
非サーバークラス	シリアルコレクタ
サーバークラス	G1GC

サーバークラスは、CPUが2個以上かつヒープサイズが1792MB以上

どのガベージコレクションを選択するか¶

ZGC, ShenandoahがProductionとして搭載される以前¶

大雑把には次の指針になります。

CPU（コア）が1つならシリアルGC
CPU（コア）が複数あり、STWの平均時間を短くしたい、アプリケーション実行時のCPUリソースに余裕が少ない場合、パラレルGC
アプリケーション実行時のCPUリソースに余裕があり、GCの処理量（オーバーヘッド）は増えてもSTWのワースト時間を最小限にしたい場合、CMSまたはG1GC
- ヒープサイズが大きい場合、G1GC
- 断片化が発生しやすい場合、G1GC

ガベージコレクションの指定¶

JavaVM起動時のオプションで選択したガベージコレクションの設定をします。

使用するガベージコレクタの指定¶

Java SE 8での指定です。

ガベージコレクタ種類	JavaVM起動オプション
シリアルコレクター	`-XX:+UseSerialGC`
パラレルコレクター	`-XX:+UseParallelGC`
CMS	`-XX:+UseConcMarkSweepGC`
G1GC	`-XX:+UseG1GC`

GCが使用するCPU（スレッド）数¶

パラレル型GCの使用CPU数¶

次の値がパラレル型GC（パラレルコレクタ、G1コレクタ）で使用する並列数（CPU数）です。
通常は、実行するPCのCPU数（スレッディング型のCPUの場合はコア数ではなくスレッド数）です。

    uintx ParallelGCThreads                         = 4                                   {product}

2コア4HTのIntel Coreプロセッサ上でのデフォルト値

ヒープメモリ¶

ヒープメモリのサイズ¶

デフォルトのサイズ¶

若い世代と古い世代の配分¶

若い世代の中のEdenとSurvivorの配分¶

ヒープメモリ上のオブジェクト¶

オブジェクト・ヘッダー¶

ヒープメモリ上に格納するオブジェクト（インスタンス）のメモリ構造は、先頭にオブジェクト・ヘッダーが置かれる。

非配列のオブジェクト

markワード	32bit版なら4バイト、64bit版なら8バイト
klassワード	32bit版/圧縮OOP有効な64bit版なら4バイト、圧縮OOP無効な64bit版なら8バイト
gap	4バイト、配置ルールで必要なときに置かれる（いつ？）
インスタンス・フィールド	クラスの定義次第

配列のオブジェクト

markワード	32bit版なら4バイト、64bit版なら8バイト
klassワード	32bit版/圧縮OOP有効な64bit版なら4バイト、圧縮OOP無効な64bit版なら8バイト
lengthワード	4バイト
gap	4バイト、配置ルールで必要なときに置かれる（いつ？）
インスタンス・フィールド

圧縮OOPが有効なのは次のAND条件
- -Xmxが未指定、または-Xmxで指定したサイズが32GB未満
- -XX:-UseCompressedOopsをJavaVM起動オプションに指定していない
gapは配置ルールで必要な場合
圧縮OOPが有効のときに32bitの管理ポインタと64bitポインタとの変換する方法
- ヒープサイズが4GB以下のときは直接アドレッシング（ヒープが仮想メモリ空間の0～4GBのアドレスに位置する）
- ヒープサイズが4GB超から32GBまでのときは、オブジェクトは8バイト境界に置かれる前提でポインタを圧縮
- ヒープサイズが32GB超のときはベースアドレスと8バイト境界の組み合わせが必要になるのでklassワードは64bitに戻る（？）

技術情報へのリンク¶

GC総合

Javaガベージコレクションのエッセンス（InfoQ翻訳記事 Martin Thompson著）
GC Tuning Confessions Of A Performance Engineer（JavaOne 2015 SF）
各GCの図解が秀逸
Hotspot JVMの圧縮OOP
JDKの超高速な新ガベージ・コレクタを理解する（Java Magazine 2019年11月）
ZGC、Shenandoah、G1GC改善
A brief history of garbage collection