一連の記事で、メモリ管理に関連する誤解に反論し、Java、Kotlin、Scala、Groovy、Clojureなどの最新のプログラミング言語での構造を詳しく調べたいと思います。この記事が、これらの言語の内部で何が起こっているのかを理解するのに役立つことを願っています。最初に、Java、Kotlin、Scala、Clojure、Groovy、およびその他の言語で使用されるJava仮想マシン（JVM）のメモリ管理について説明します 。では 最初の記事、私もこの記事を理解するのに有用なスタックとヒープとの差をカバーしました。

JVMメモリ構造

まず、JVMのメモリ構造を見てみましょう。この構造は、JDK11以降で使用されてい ます。これは、JVMプロセスで使用可能なメモリであり、オペレーティングシステムによって割り当てられます。





これはOSによって割り当てられたネイティブメモリであり、そのサイズはシステム、プロセッサ、およびJREによって異なります。どの分野とそれらは何を目的としていますか？

ヒープ

これは、JVMがオブジェクトと動的データを格納する場所です。これは最大のメモリ領域であり、ガベージコレクタが機能する場所です。ヒープサイズは、Xms



（初期Xmx



サイズ）フラグと （最大サイズ）フラグで制御できます 。ヒープは全体として仮想マシンに転送されるのではなく、一部は仮想スペースとして予約されます。これにより、ヒープは将来拡張される可能性があります。ヒープは、「若い」世代と「古い」世代のスペースに分割されます。

• 若い世代、または「新しい空間」：新しいオブジェクトが住むエリア。エデンスペースとサバイバースペースに分かれています。若い世代の管理領域である「若いガベージコレクター」（マイナーGC）。これは「若い」（若いGC）とも呼ばれます。
  
  
  • パラダイス：これは、新しいオブジェクトを作成するときにメモリが割り当てられる場所です。
  • サバイバーエリア：マイナーガベージコレクターから残ったオブジェクトが保存される場所です。この領域は、S0とS1の2つの部分に分割されます。
• 旧世代、または「ストレージ」（Tenured Space）：これには、ジュニアガベージコレクターの存続期間中に最大ストレージしきい値に達したオブジェクトが含まれます。このスペースはメジャーGCによって管理されます。

スレッドスタック

これは、スレッドごとに1つのスタックが割り当てられるスタック領域です。これは、メソッドと関数のフレーム、オブジェクトへのポインタなど、スレッド固有の静的データが格納される場所です。スタックメモリのサイズは、フラグを使用して設定できます Xss



。

メタスペース

これはネイティブメモリの一部であり、デフォルトでは上限はありません。以前のバージョンのJVMでは、このメモリは永続生成スペース（永続生成（PermGen）スペース）と呼ばれていました 。クラスローダーは、クラス定義をその中に格納しました。このスペースが大きくなると、OSはここに保存されているデータをRAMから仮想メモリに移動する可能性があり、アプリケーションの速度が低下する可能性があります。これは、フラグXX:MetaspaceSize



を使用して MetaSpaceのサイズを設定することで回避でき -XX:MaxMetaspaceSize



ます。この場合、アプリケーションはメモリエラーを発行する可能性があります。

コードキャッシュ

これは、 Just In Time（JIT）コンパイラーが、頻繁にアクセスする必要のあるコンパイル済みコードブロックを格納する場所です。通常、JVMはバイトコードをネイティブマシンコードに解釈しますが、JITコンパイラによってコンパイルされたコードは解釈する必要はなく、すでにネイティブ形式であり、このメモリ領域にキャッシュされています。

共有ライブラリ

これは、共有ライブラリのネイティブコードが保存される場所です。メモリのこの領域は、プロセスごとに1回だけオペレーティングシステムによってロードされます。

JVMメモリ使用量：スタックとヒープ

次に、実行可能プログラムがメモリの最も重要な部分をどのように使用するかを見てみましょう。以下のコードを使用してみましょう。正確性のために最適化されていないため、不要な中間変数、誤った修飾子などの問題は無視してください。その仕事は、スタックとヒープの使用を視覚化することです。

class Employee {
    String name;
    Integer salary;
    Integer sales;
    Integer bonus;

    public Employee(String name, Integer salary, Integer sales) {
        this.name = name;
        this.salary = salary;
        this.sales = sales;
    }
}

public class Test {
    static int BONUS_PERCENTAGE = 10;

    static int getBonusPercentage(int salary) {
        int percentage = salary * BONUS_PERCENTAGE / 100;
        return percentage;
    }

    static int findEmployeeBonus(int salary, int noOfSales) {
        int bonusPercentage = getBonusPercentage(salary);
        int bonus = bonusPercentage * noOfSales;
        return bonus;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Employee john = new Employee("John", 5000, 5);
        john.bonus = findEmployeeBonus(john.salary, john.sales);
        System.out.println(john.bonus);
    }
}

      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
    

ここでは、上記のプログラムがどのように実行され、スタックとヒープがどのように使用されるかを確認でき



ます。https ： //files.speakerdeck.com/presentations/9780d352c95f4361bd8c6fa164554afc/JVM_memory_use.pdfご覧の



とおり：

• 各関数呼び出しは、フレームブロックとして実行スタックのスレッドにプッシュされます。
• 引数と戻り値を含むすべてのローカル変数は、関数フレームブロック内のスタックに格納されます。
• int .
• Employee, Integer String , . .
• , , .
• , .
• ().
• , .

スタックは、JVMではなくオペレーティングシステムによって自動的に管理されます。したがって、彼の特別な世話をする必要はありません。しかし、ヒープはこの方法で管理されなくなりました。これは動的データを含むメモリの最大領域であるため、指数関数的に増大する可能性があり、プログラムは時間の経過とともにすべてのメモリを占有する可能性があります。さらに、ヒープは徐々に断片化されるため、アプリケーションのパフォーマンスが低下します。JVMは、これらの問題の解決に役立ちます。ガベージコレクションを使用してヒープを自動的に管理します。

JVMメモリ管理：ガベージコレクション

アプリケーションのパフォーマンスに非常に重要な役割を果たす自動ヒープ管理を見てみましょう。プログラムが（値に応じてXmx



）使用可能なメモリよりも多くのメモリをヒープに割り当てよ うとすると 、メモリ不足エラーが発生します。



JVMは、ガベージコレクションを使用してヒープを管理します。新しいオブジェクトを作成するためのスペースを確保するために、JVMは、孤立したオブジェクト、つまりスタックから直接または間接的に参照されなくなったオブジェクトによって占有されているメモリをクリーンアップします。





JVMガベージコレクターは以下を担当します。

• OSからメモリを取得し、OSに戻します。
• 要求に応じて、割り当てられたメモリをアプリケーションに転送します。
• 割り当てられたメモリのどの部分がまだアプリケーションによって使用されているかを判別します。
• アプリケーションで使用するために未使用のメモリを要求します。

JVMのガベージコレクターは世代ごとに機能します（ヒープ内のオブジェクトは年齢別にグループ化され、さまざまな段階でクリーンアップされます）。さまざまなガベージコレクションアルゴリズムがありますが、Mark＆Sweepが最も一般的に使用されているアルゴリズム です。

ガベージコレクターマーク＆スイープ

JVMは、ガベージコレクションのためにバックグラウンドで実行される別のデーモンスレッドを使用します。このプロセスは、特定の条件が満たされたときに開始されます。Mark＆Sweepコレクターは通常2つの段階で機能し、使用するアルゴリズムによっては3番目の段階が追加されることもあります。

• マークアップ：最初に、コレクターは、使用されているオブジェクトと使用されていないオブジェクトを判別します。スタックポインタによって使用またはアクセスされるものは、再帰的に生存としてマークされます。
• 削除：コレクターはヒープをウォークスルーし、生存とマークされていないすべてのオブジェクトを削除します。これらのメモリ位置は空きとしてマークされます。
• 圧縮：未使用のオブジェクトを削除した後、残っているすべてのオブジェクトが一緒になるように移動されます。これにより、断片化が減少し、新しいオブジェクトへのメモリ割り当てが高速化されます。

このタイプのコレクターは、削除されている間、アプリケーションに一時停止があるため、stop-the-worldとも呼ばれます。



JVMには、選択可能ないくつかの異なるガベージコレクションアルゴリズムが用意されており、JDKによっては、さらに多くのオプションが存在する場合があります（たとえば、OpenJDKのShenandoahコレクター ）。さまざまな実装の作成者は、さまざまな目標を目指しています。

• スループット：アプリケーションの実行ではなく、ガベージコレクションに費やされた時間。理想的には、スループットが高い、つまりガベージコレクションの一時停止が短い必要があります。
• 一時停止の期間：ガベージコレクターがアプリケーションの実行を妨害する時間。理想的には、一時停止は非常に短くする必要があります。
• ヒープサイズ：理想的には小さい必要があります。

JDK11のコレクター

JDK11は現在のLTEリリースです。以下は、そこで使用可能なガベージコレクターのリストです。JVMは、現在のハードウェアとオペレーティングシステムに応じてデフォルトでガベージコレクターを選択します。ラジオボタンを使用して、いつでもピッカーを強制的に選択できます -XX



。

• : , , . -XX:+UseSerialGC
  
  
  
  .
• : , . , / . -XX:+UseParallelGC
  
  
  
  .
• Garbage-First (G1): ( ). , . . -XX:+UseG1GC
  
  
  
  .
• Z: , , JDK11. . , stop-the-world. , / ( ). -XX:+UseZGC
  
  
  
  .

選択されているコレクターに関係なく、JVMはジュニアコレクターとシニアコレクターの2種類のアセンブリを使用します。

ジュニアアセンブラー

若い世代の空間の清潔さとコンパクトさを維持します。これは、JVMが新しいオブジェクトに対応するために必要なメモリを天国で取得できない場合に起動されます。最初は、ヒープのすべての領域が空です。パラダイスが最初にいっぱいになり、次に生存者のエリア、最後にストレージがいっぱいになります。



このコレクターのプロセスは、https：//files.speakerdeck.com/presentations/f4783404769145f4b990154d0cc05629/JVM_minor_GC.pdfで確認できます



。

1. パラダイスにすでにオブジェクトがあるとしましょう（ブロック01から06は使用済みとしてマークされています）。
2. アプリケーションは新しいオブジェクト（07）を作成します。
3. JVM , , JVM .
4. ( ), — ().
5. JVM S0 S1 «» (To Space), S0. «» , , , .
6. , .
7. , - , ( 07 13 ).
8. (14).
9. JVM , , JVM .
10. , , « ».
11. JVM «» S1, S0 «». «» «» (S1), , . , «», , (premature promotion). , .
12. «» (S0), .
13. これはジュニアコレクターセッションごとに繰り返され、生存者はS0とS1の間を移動し、年齢が上がります。指定された「最大しきい値」（デフォルトでは15）に達すると、オブジェクトは「ストレージ」に移動されます。

ジュニアコレクターが若い世代の空間の記憶をどのようにクリーンアップするかを見ました。これは世界を止めるプロセスですが、非常に高速であるため、通常、その期間は無視できます。

シニアアセンブラー

旧世代のスペース（ストレージ）の清潔さとコンパクトさを監視します。次のいずれかの条件下で実行されます。

• 開発者はプログラムを呼び出しますSystem
  
  
  
  。gc()
  
  
  
  またはRuntime.getRunTime().gc()
  
  
  
  。
• JVMは、ジュニアコレクターの過去のセッションの結果としてストアがいっぱいであるため、ストアがメモリー不足であると判断します。
• ジュニアコレクターの実行中に、JVMがパラダイスまたはサバイバーエリアで十分なメモリを取得できない場合。
• JVMにパラメータを設定し、MaxMetaspaceSize
  
  
  
  新しいクラスをロードするのに十分なメモリがない場合。

シニアコレクターの作業プロセスは、ジュニアコレクターよりも単純です。

1. 多くのジュニアコレクターセッションが経過し、ストレージがほぼいっぱいになったとしましょう。JVMは、古いコレクターを実行することを決定します。
2. ストレージでは、スタックポインターからオブジェクトグラフを再帰的にトラバースし、使用済みオブジェクトを（使用済みメモリ）としてマークし、残りをガベージ（失われた）としてマークします。シニアコレクターがジュニアコレクターの仕事中に立ち上げられた場合、彼の仕事は若い世代のスペース（楽園と生存者のエリア）と金庫室をカバーしています。
3. コレクターは、孤立したオブジェクトをすべて削除し、メモリを再利用します。
4. 古いコレクターの作業中にヒープにオブジェクトが残っていない場合、JVMはメタスペースからメモリーを再利用し、ロードされたクラスをメタスペースから削除します（これが完全なガベージコレクションの場合）。

結論

JVMの構造とメモリ管理について説明しました。これは完全な記事ではありません。特定のユースケースに合わせてカスタマイズするためのより複雑な概念や方法の多くについては説明していません。詳細については、こちらをご覧 ください。



しかし、ほとんどのJVM開発者（Java、Kotlin、Scala、Clojure、JR​​uby、Jython）にとって、この量の情報で十分です。うまくいけば、メモリリークに関するさまざまな問題を回避して、より優れたコードを記述し、より効率的なアプリケーションを作成できるようになります。

リンク

• docs.oracle.com
• pythontutor.com/java.html
• www.journaldev.com
• www.yourkit.com
• dzone.com
• www.infoq.com