9 ガベージファースト・ガベージ・コレクタ

G1ではヒープを均等サイズのヒープ・リージョン・セットに分割し、図9-1に示すように、それぞれは連続する一連の仮想メモリーです。リージョンとは、メモリー割当ておよびメモリー回収の単位です。常に、これらの各リージョンは空であるか(明るいグレー)、特定の世代(若いまたは古い世代)に割り当てることができます。メモリーに対するリクエストが発生すると、メモリー・マネージャが空きのリージョンを割り当てます。メモリー・マネージャはこれらをある世代に割り当て、次に空き領域としてアプリケーションにこれらを返却し、そこに自分自身を割り当てることができます。

図9-1 G1ガベージ・コレクタのヒープ・レイアウト

「図9-1 G1ガベージ・コレクタのヒープ・レイアウト」の説明

若い世代には、Edenリージョン(赤)とSurvivorリージョン(Sが付いた赤)が含まれています。これらのリージョンは、他のコレクタの連続的な各領域と同じ機能を備えており、G1において通常、これらのリージョンはメモリー内で連続的でないパターンで配置されている点が異なります。古いリージョン(水色)は古い世代を構成しています。古い世代のリージョンは複数のリージョンにまたがるオブジェクトに対してサイズが大きくなることがあります(Hが付いた水色)。

アプリケーションは、古い世代に属しているために直接割り当てられている大型オブジェクトを除いて、常に若い世代(Edenリージョン)に割り当てられます。

G1ガベージ・コレクションの一時停止では、全体として若い世代の領域を回収し、任意のコレクションの一時停止で古い世代のリージョンの領域を追加で回収できます。一時停止中に、G1はオブジェクトをこのコレクション・セットからヒープ内の1つ以上の異なるリージョンにコピーします。オブジェクトの移動先リージョンはそのオブジェクトの移動元リージョンによって異なります。若い世代全体がSurvivorまたは古いリージョンにコピーされ、古いリージョンのオブジェクトが、エージングを使用して他の異なる古いリージョンにコピーされます。

高いレベルで、G1コレクタは2つのフェーズを交代させます。若い世代のみのフェーズには、現在使用可能なメモリーを古い世代のオブジェクトで徐々に満たすガベージ・コレクションが含まれています。領域回収フェーズでは、G1は増分しながら古い世代の領域を回収し、さらに若い世代に対応します。その後、このサイクルでは若い世代のみのフェーズを再度開始します。

図9-2に、このサイクルの概要および発生する可能性のあるガベージ・コレクションの一時停止の順序の例を示します。

図9-2 ガベージ・コレクションのサイクルの概要

「図9-2 ガベージ・コレクションのサイクルの概要」の説明

次のリストに、フェーズ、一時停止、G1ガベージ・コレクション・サイクルのフェーズ間での推移を詳細に示します。

1. 若い世代のみのフェーズ: このフェーズは、オブジェクトを古い世代に昇格させる、いくつかの若い世代のみのコレクションから開始します。若い世代のみのフェーズと領域回収フェーズ間の推移は、古い世代の占有率が特定のしきい値(開始ヒープ占有率しきい値)に達したときにのみ、開始します。この時点で、G1は通常の若い世代のみのコレクションのかわりに、初期マークの若い世代のみのコレクションをスケジュールします。

   • 初期マーク: このタイプのコレクションはマーキング・プロセスを開始し、通常の若い世代のみのコレクションも実行します。コンカレント・マーキングでは、次の領域回収フェーズで維持される、古い世代のリージョンの現在到達可能なすべての(ライブ)オブジェクトを判定します。マーキングが完全に終了していない場合、通常の若い世代のみのコレクションが発生することがあります。マーキングは、再マークとクリーン・アップの2つの固有のstop-the-world型の一時停止で終了します。

   • 再マーク: この一時停止は、マーキング自体をファイナライズし、グローバル参照プロセスとクラスのアップロードを実行します。再マークとクリーンアップの間に、G1はライブ情報のサマリーを同時に計算します。これがファイナライズされ、クリーン・アップの一時停止で使用されて、内部データ構造を更新します。

   • クリーン・アップ: この一時停止も完全に空のリージョンを回収し、領域回収フェーズが実際に後に続くかどうかを判定します。領域回収フェーズが後に続いた場合、若い世代のみの一時停止は、単一の若い世代のみのコレクションで完了します。

2. 領域回収フェーズ: このフェーズは複数の混合コレクションから構成され、若い世代のリージョンに加えて、古い世代のリージョン・セットのライブ・オブジェクトも退避します。領域回収フェーズは、古い世代のリージョンをこれ以上退避しても、十分な空き領域を作り出せないとG1が判断した場合に終了します。

領域回収後、コレクション・サイクルが別の若い世代のみのフェーズから再度開始します。バックアップとして、アプリケーションがライブ情報の収集中にメモリーを使い果たした場合、G1では他のコレクタのようなstop-the-world型のインプレース・フル・ヒープ圧縮(フルGC)を実行します。

開始ヒープ占有率(IHOP)は、初期マーク・コレクションがトリガーされるしきい値で、古い世代のサイズの割合として定義されます。

G1では、デフォルトで、マーキングにかかった時間とマーキング・サイクル時に古い世代に通常割り当てられるメモリーの量を監視することで、最適なIHOPを自動的に判定します。この機能は、適応型IHOPと呼ばれます。この機能がアクティブな場合、オプション-XX:InitiatingHeapOccupancyPercentは、開始ヒープ占有率しきい値を予測するのに十分な監視結果がなければ、現在の古い世代のサイズの割合として初期値を判定します。オプション-XX:-G1UseAdaptiveIHOPを使用して、G1のこの動作をオフにします。この場合、-XX:InitiatingHeapOccupancyPercentの値は常にこのしきい値を判定します。

内部的に、適応型IHOPは開始ヒープ占有率を設定しようとします。これにより、古い世代の占有率が現在の古い世代の最大サイズから余分なバッファとして-XX:G1HeapReservePercentの値を差し引いた値に達したときに、領域回収フェーズの最初の混合ガベージ・コレクションが開始します。

G1マーキングでは、Snapshot-At-The-Beginning (SATB)と呼ばれるアルゴリズムを使用します。マーキングの開始時にライブだったすべてのオブジェクトがマーキングの残りに対してライブとみなされている場合、初期マークの一時停止時にヒープの仮想スナップショットを取得します。これは、マーキング時に寿命を終えた(到達不能な)オブジェクトが領域回収のためにライブとしてみなされているということです(一部例外あり)。他のコレクタと比較すると、これによって追加のメモリーが不適切に保持される場合があります。ただし、SATBでは再マークの一時停止時に適切なレイテンシが発生する可能性があります。このマーキング時にライブ・オブジェクトとみなされたオブジェクトは、次回のマーキング時に回収されます。マーキングでの問題の詳細は、「ガベージファースト・ガベージ・コレクタのチューニング」のトピックを参照してください。

退避でコピーする領域を見つけられないほど、アプリケーションが大量のメモリーを保持している場合、退避は失敗します。退避が失敗したということは、G1で、まだ移動していないオブジェクトをコピーせずに、すでに新しい場所に移動したオブジェクトを保持して現在のガベージ・コレクションを完了しようとしており、オブジェクト間の参照のみを調整していることを意味します。退避が失敗すると、追加のオーバーヘッドが発生することがありますが、一般的に他の若いコレクションと速度は変わりません。退避が失敗したガベージ・コレクションの後で、G1はアプリケーションを通常どおりに再開し、他の措置は取りません。G1では、退避の失敗はガベージ・コレクションの終了間際に発生すると想定しています。すなわち、ほとんどのオブジェクトはすでに移動していて、マーキングが完了して領域の回収が開始するまで、アプリケーションの実行を続けるのに十分な領域が残っているということです。

この想定が当てはまらない場合、G1は最終的にフルGCをスケジュールします。このタイプのコレクションは、ヒープ全体のインプレース圧縮を実行します。これは時間がかかることがあります。

割当ての失敗またはメモリーからの通知の前のフルGCの問題の詳細は、「ガベージファースト・ガベージ・コレクタのチューニング」のトピックを参照してください。

大型オブジェクトとは、リージョンの半分のサイズ以上のオブジェクトです。「G1 GCのエルゴノミック・デフォルト」の項で記述されているように、-XX:G1HeapRegionSizeオプションを使用して設定されないかぎり、現在のリージョン・サイズはエルゴノミックに決定されます。

若い世代のみのフェーズで、収集するリージョンのセット(コレクション・セット)は若い世代のリージョンのみから構成されます。G1は、若い世代のみのコレクションの終了時に若い世代のサイズを決定します。このように、G1は、実際の一時停止時間の長時間に及ぶ監視に基づいて、-XX:MaxGCPauseTimeMillisと-XX:PauseTimeIntervalMillisを使用して設定された一時停止時間目標を満たすことができます。同様のサイズの若い世代が退避するのにどのくらい時間がかかるかを考慮します。これには、コレクション時にコピーする必要があったオブジェクト数やこれらのオブジェクトが相互接続された方法などの情報が含まれます。

制限がなければ、G1は、-XX:G1NewSizePercentと-XX:G1MaxNewSizePercentが一時停止時間を満たすために決定する値の間で適応させながら若い世代のサイズを決定します。長い一時停止を修正する方法の詳細は、「ガベージファースト・ガベージ・コレクタのチューニング」を参照してください。

領域回収フェーズ時に、G1では、1回のガベージ・コレクションの一時停止で古い世代で回収される領域の量を最大化しようとします。若い世代のサイズは許可される最小限に設定され、通常は、-XX:G1NewSizePercentで決定され、リージョンをさらに追加することにより一時停止時間目標を超えると、G1が判定するまで、領域を回収する古い世代のリージョンが追加されます。特定のガベージ・コレクションの一時停止で、G1は古い世代のリージョンを回収の効率性の高い順に追加します。残りの使用可能な時間に最後のコレクション・セットを取得します。

ガベージ・コレクションごとに取得する古い世代のリージョン数は、収集する候補の古い世代のリージョン数で下限が設定されていて(コレクション・セットの候補リージョン)、 -XX:G1MixedGCCountTargetで決定される領域回収フェーズの長さで分割されます。コレクション・セットの候補リージョンは、フェーズの開始時に-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercentより低い占有率のすべての古い世代のリージョンです。

コレクション・セットの候補リージョンで回収可能な領域の残りの量が-XX:G1HeapWastePercentによって設定された割合より低い場合に、フェーズが終了します。

G1が使用する古い世代のリージョンの数および長い混合コレクションの一時停止を回避する方法の詳細は、「ガベージファースト・ガベージ・コレクタのチューニング」を参照してください。