主要なGCアルゴリズム

投稿日 March 14, 2024 • 1分で読めます • 210文字 • 言語を選択: Korean、English

Table of contents

Serial GC
Parallel GC
Parallel Old GC
CMS GC
G1 GC
Z GC
- Colored pointers
- Load barriers
References

『Java最適化』スタディをしながら主要なGCアルゴリズムについてより深く勉強するために書いた記事です。

Serial GC

最も単純なGC実装
STW（Stop-The-World）後、1つのスレッドでのみGCを実行
mark-sweep-compactアルゴリズムを使用
マルチスレッド環境には不適切

❖ Serial GC有効化フラグ

java -XX:+UseSerialGC

Parallel GC

Java 5〜8までのデフォルトGC
GC処理率を最大化するためThroughput Collectorとも呼ばれる
メモリ空間が十分でコア数が多い場合に有利なアルゴリズム
フラグを通じてGCに使用する最大スレッド数、最大停止時間、GC実行時間比率を設定可能
- -XX:ParallelGCThreads=<N>
- -XX:MaxGCPauseMillis=<N>
- -XX:GCTimeRatio=<N>

❖ Parallel GC有効化フラグ

java -XX:+UseParallelGC

Parallel Old GC

Parallel GCのOld領域バージョン
Old領域までマルチスレッドでGCを実行
Old領域に対してMark-Summary-Compactアルゴリズムを使用
- Markフェーズ：Old領域をリージョン別に分け、リージョン別に頻繁に参照されるオブジェクトをマーキング
- Summaryフェーズ：生き残ったオブジェクトの中で密度が高い部分がどこかdense prefixを決め、これを基準にcompact領域を減らす
- Compactフェーズ：compact領域をdestinationとsourceに分け、生き残ったオブジェクトをdestinationに移動し、参照されていないオブジェクトは削除

❖ Parallel Old GC有効化フラグ

java -XX:+UseParallelOldGC

CMS GC

Concurrent Mark Sweep

cms-gc

❖ Concurrentが付くとアプリケーション動作中に同時に実行されるという意味

Initial Markフェーズ：クラスローダーから最も近いオブジェクトの中で生きているオブジェクトだけを見つけて終了
Concurrent Markフェーズ：生きていると確認したオブジェクトをルートとして参照されるオブジェクトをマーキング
Remarkフェーズ：Concurrent Markフェーズで新しく追加されたり参照が切れたオブジェクトをマーキング
Concurrent Sweepフェーズ：マーキングされていないオブジェクトを削除

長所

STW時間が非常に短い
- Low Latency GCとも呼ばれる
- 低い応答速度が重要な場合に使用される

短所

CPUとメモリ使用量が多い
compactionフェーズがないためメモリ断片化が発生する可能性がある
- 断片化されたメモリが多いため、compaction作業を行うとSTW時間がさらに長くなる

❖ CMS GC有効化フラグ

java -XX:+UseConcMarkSweepGC

G1 GC

Garbage First

g1-gc

Java 9からのデフォルトGC
これまでのGCとは全く異なる方式
メモリ空間が豊富なマルチプロセッサ環境で使用
ヒープメモリを同じサイズのRegionという領域に分けてメモリを管理
- 各リージョンは論理的に区分される（Eden、Survivor、Old、Humongous、Available/Unused）
- Humongous：リージョンサイズの50%を超える大きなオブジェクトを格納する領域
- Available/Unused：まだ使用されていない領域

GC実行フェーズ

グローバルマーキングフェーズ：リージョン別オブジェクト活性度を判断
スイープフェーズ：ほぼ空のリージョンから優先的にガベージを収集して大きな空き容量を確保

RSet（Remembered Set）

rset

領域ごとに1つ存在する、外部からヒープ領域内部を参照するためのリファレンス管理装置
floating garbageを追跡するための用途
- floating garbage：すでに死んだオブジェクトが参照しているオブジェクトで、生きているように見えるオブジェクト

Minor GC

Eden領域がいっぱいになると実行
Eden領域の生き残ったオブジェクトをSurvivor領域に移動
空になったEden領域をAvailable/Unused領域に指定

Major GC

g1-gc-process

Initial Markフェーズ：Oldリージョンのオブジェクトが参照するSurvivor領域のオブジェクトをマーキング（STW）
Root Region Scanフェーズ：上記フェーズで見つけたSurvivorオブジェクトに対するスキャン作業
Concurrent Markフェーズ：ヒープ全体に対するスキャン作業を実施 → ガベージがないリージョンは次のフェーズから除外
Remarkフェーズ：最終的にGC対象から除外するオブジェクトを識別（STW）
Cleanupフェーズ：生きているオブジェクトが最も少ないリージョンに対する未使用オブジェクト削除作業（STW）
Copyフェーズ：Cleanup後も完全に空にならなかった生きているオブジェクトを新しいリージョンに移すことでcompaction作業を実行（STW）

❖ G1 GC有効化フラグ

java -XX:+UseG1GC

Z GC

zgc-concept-1

Java 11で実験バージョンとして登場、その後Java 15から正式バージョンをリリース
STW時間を10ms以下に！
- 低レイテンシを必要とする同時性の高い高コスト作業に適している
8MB〜16TBサイズのヒープ処理が可能
G1 GCと同様にヒープを領域別に分けて管理するが、各領域のサイズは異なる
- regionの代わりにZPageという論理単位で区分
- small（2 MB）、medium（32 MB）、large（N * 2 MB）の3タイプを持つ

Colored pointers

colored-pointers

オブジェクトを指す変数のポインタで64bitメモリを活用してオブジェクトの状態値を格納
- そのため64bit OSでのみ使用可能！
42bitはオブジェクトのアドレス値として活用
4bitはオブジェクトの状態値を表現
- Finalizable：finalizerを通じてのみアクセス可能なオブジェクト（ガベージ）
- Remapped：オブジェクトの再配置の有無を表示
- Marked 1 / 0：アクセス可能なオブジェクトを表示
仮想アドレスと実アドレスマッピング演算の節約のため、すべての仮想アドレスに対してmmap（multi-mapping）を実行
- これによりメモリ使用量が3倍に増加

Load barriers

zgc-concept-7

オブジェクトを参照する時に実行されるコード
ヒープにあるオブジェクトが参照可能な状態かを検査
- 問題がある場合はslow pathというプロセスを実行した後に参照を進行
オブジェクトを参照する前にバリアで防いでくれるというイメージで連想すると理解しやすい！
G1 GCとは異なり、メモリ再配置過程でSTWが発生しないようにする
Remap MarkとRellocation Setを確認しながら参照とmarkを更新