Javaの動作原理を知ろう2 －ガベージコレクション編－

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　前回は「Javaヒープの動作」をご紹介しましたが、今回は続編としてJavaヒープのクリーンナップを自動的に行ってくれるガベージコレクションの動作について紹介したいと思います。各クラウドソリューションを使用したシステムの運用管理においては、ヒープ管理によるリソースの管理に加えて、ガベージコレクションの管理も必要です。適切な設定を施さないと、不必要にスケールアウト/スケールアップを行うことになりかねません…。

ガベージコレクションって？

まずは今回のスコープを決定することから始めましょう。ガベージコレクション（GC）とは、Javaヒープ上に存在する未使用のオブジェクトを解放してくれる機能です。この存在のおかげで開発者はリソースの管理から解放され、本来実装すべき機能要求の実装に注力できるという恩恵を得ることができます。

ただ、ガベージコレクションの存在は、JVM仕様において定義されているものの、そのアルゴリズムや実装方法は多種多様であり、数多のJVMベンダ間で、また同じベンダ内においてもバージョンによって動作やオプションに相違があります。
今回は HotSpot VM におけるガベージコレクションの種類をご紹介してみたいと思います。

ガベージコレクションの種類

多くのJVM実装におけるヒープの管理については、多くのベンダが世代別管理を行っており、Young世代においては動作コストの小さいマイナーGCを、Old世代においては動作コストの大きいメジャーGCを動かすことで、ヒープ内の不要なオブジェクトを回収しています。
世代別管理については、詳しくは前回のコラムをご覧ください。
Javaの動作原理を知ろう① －ヒープ編－
各GCはJavaスレッドとして動作しますが、それぞれの動作アルゴリズムを実行時のオプション指定で変更することが可能です。

今回検証した環境（CentOS 7.3、JDK1.8.0_111）において有効な主要なアルゴリズムは以下のとおりです。

シリアルコレクタ（-XX:+UseSerialGC）
パラレルコレクタ（-XX:+UseParallelGC）
コンカレントコレクタ（-XX:+UseConcMarkSweepGC）
ガベージファースト・ガベージコレクタ：G1GC （-XX:+UseG1GC）

上記のアルゴリズムは今回取り上げているHotSpot VMにおいて有効なもののため、お使いのJVM環境において有効なアルゴリズムは別途ご確認ください。

また、システムにおけるガベージコレクションの動作チューニングの手間を抑えるため、ガベージコレクタエルゴノミクスと呼ばれる機能によってマシンスペックに応じた自動調整が通常は行われます。
2GB以上の物理メモリおよび2コア以上の条件がそろえば、サーバクラスマシンと認識され、それ以外の場合にはクライアントクラスマシンと認識され、実行エンジン、ヒープサイズやガベージコレクタのアルゴリズム等、必要最低限ではありますが調整が行われます。

詳細のオプションについては HotSpot VMのリファレンスをご覧ください。

シリアルコレクタ

昨今のハードウェアの廉価化も進み、コンシューマPCにおいてもCPUコアが複数搭載されているケースも普通になってきましたが、シリアルコレクタは従来のシングルコアマシン用に設計されている最も基本的なガベージコレクタになります。特にこれといった性能上の利点はありませんが、クライアントスペックマシンにおけるデフォルトのガベージコレクタになります。マイナーGCおよびメジャーGCともにアプリケーションスレッドの実行を中断し、シングルスレッドで動作します。

他のガベージコレクタや、JVM内部のバグ等によるワークアラウンドとして使用することが想定されます。

シリアルコレクタの動作イメージ