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7-1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。任意の時点で、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(若い世代または古い世代)に割り当てられています。メモリーに対するリクエストが届くと、メモリー・マネージャが空き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返し、そこに割当てできるようにします。

図7-1 G1ガベージ・コレクタのヒープ・レイアウト

「図7-1 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。

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7-2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7-2 ガベージ・コレクションのサイクルの概要

「図7-2 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、いくつかの通常の若い世代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)に達したときに開始します。この時点で、G1は通常の若い世代のコレクションのかわりに、コンカレント開始の若い世代のコレクションをスケジュールします。 

   • コンカレント開始: 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。 

     コンカレント開始の一時停止では、マーキングをたどる必要がないことも決定できます。この場合、短いコンカレント・マークの元に戻すフェーズが発生し、若い世代のみのフェーズが続行されます。この場合、再マークおよびクリーン・アップの一時停止は発生しません。

   • 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、参照処理とクラスのアップロードを実行し、空のリージョンを完全に回収して、内部データ構造をクリーン・アップします。再マークとクリーン・アップの間に、G1は、選択した古い世代のリージョン内の空き領域を後で回収できるようにする情報を同時に計算し、この情報がクリーン・アップの一時停止でファイナライズされます。

   • クリーン・アップ: この一時停止では、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、この若い世代のみのフェーズは、単一の混合準備の若い世代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若い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。これらのコレクションは、混合コレクションとも呼ばれます。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。

G1はガベージ・コレクションと領域回収をstop-the-world型の一時停止で実行します。通常、ライブ・オブジェクトはヒープ内のソース・リージョンから1つ以上の宛先リージョンにコピーされ、これらの移動済オブジェクトへの既存の参照が調整されます。

大型リージョン以外の場合、オブジェクトの宛先リージョンは、そのオブジェクトのソース・リージョンにより決定されます。

• 若い世代(EdenリージョンとSurvivorリージョン)のオブジェクトは、それぞれの期間に応じてSurvivorリージョンまたは古いリージョンにコピーされます。
• 古いリージョンのオブジェクトは他の古いリージョンにコピーされます。

大型リージョン内のオブジェクトは別々に処理されます。G1は、通常、これらのオブジェクトを移動せず、そのライブ状態を判断するのみです。ライブ状態でない場合は、占有している領域を再利用します。G1では、非常に遅い最終手段の収集作業で大型オブジェクトのみが移動されます。

G1では、Javaヒープ・サイズを変更する際に標準ルールが考慮され、初期Javaヒープ・サイズには-XX:InitialHeapSize、最大Javaヒープ・サイズには-XX:MaxHeapSize、空きメモリーの最小割合には-XX:MinHeapFreeRatio、サイズ変更後の空きメモリーの最大割合を決定するには-XX:MaxHeapFreeRatioがそれぞれ使用されます。G1コレクタは、再マークの一時停止とフルGCの一時停止時にのみ、これらのオプションに従ってJavaヒープ・サイズを変更します。このプロセスでは、オペレーティング・システムにメモリーを解放したり、オペレーティング・システムからメモリーを割り当てたりできます。

ヒープ拡張は、ガベージ・コレクションの一時停止中に発生する可能性があります。G1がJavaヒープを縮小する必要があると判断した場合、このメモリーの解放は、一時停止後にアプリケーションと並行して行われます。

アプリケーションがアクティブでなかったためにガベージ・コレクションが長期間実行されていない場合、他で使用できたはずの大量の未使用メモリーがVMに不必要に長期間保持されている可能性があります。これを回避するには、長いアイドル期間中に-XX:G1PeriodicGCIntervalオプションを使用して、G1で定期的なガベージ・コレクションを強制的に実行できます。このオプションでは、アイドル・アプリケーションの状態を検出した後、G1がガベージ・コレクションの実行を検討する最小間隔(ミリ秒)を指定します。前回のガベージ・コレクションによる一時停止後にこの期間が経過し、進行中のコンカレント・サイクルがない場合、G1は次のような結果を伴う追加のガベージ・コレクションをトリガーします。

• 若い世代のみのフェーズ時: G1はコンカレント開始の一時停止を使用してコンカレント・マーキングを開始するか、-XX:-G1PeriodicGCInvokesConcurrentが指定されている場合は、フルFull GCを開始します。
• 領域回収フェーズ時: G1は領域回収フェーズを継続し、現在の進行状況に適したガベージ・コレクションによる一時停止タイプをトリガーします。

-XX:G1PeriodicGCSystemLoadThresholdオプションを使用して、G1のアイドル状態の意味を調整する必要があります。JVMホスト・システム(コンテナなど)に対するgetloadavg()コールによって返された1分間のシステム負荷平均値がこの値を上回った場合、VMはアイドル状態とはみなされず、定期的なガベージ・コレクションは実行されません。

定期的なガベージ・コレクションの詳細は、『JEP 346: Promptly Return Unused Committed Memory from G1』を参照してください。

開始ヒープ占有率(IHOP)は、コンカレント開始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。コンカレント開始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。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は、マーキングの残りに対してライブとみなされます。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。

退避の失敗は、ガベージ・コレクション中にG1が一部のオブジェクトを移動できなかったことを意味します。

このような状況は、Evacuation Failure: <reason>という出力で-Xlog:gcロギングによるガベージ・コレクション・ログに示されます。<reason>は、次の例に示すように、AllocationとPinnedのいずれかまたは両方です:

[9,740s][info ][gc] GC(26) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) (Evacuation Failure: Allocation/Pinned) 2159M->402M(3000M) 6,108ms

• Allocation: G1は、オブジェクトの移動先の宛先領域に十分な領域を見つけられませんでした。
• Pinned: G1が、GetPrimitiveArrayCritical()または類似のJNIコールを使用してネイティブ・コードを安全に使用できるように、所定の位置にロックされている、つまり固定されているオブジェクトを検出したため、G1が移動できなかったオブジェクトがあります。オブジェクトの固定の詳細は、JEP 423: G1の領域固定に関する項を参照してください。

G1がすべてのオブジェクトをリージョンから移動できない場合、そのリージョンは一時的に割当てできなくなります。G1は、これらのリージョンを、コレクション・セットの候補として、次のガベージ・コレクションで即時退避するようにスケジュールします。

最悪の場合、ガベージ・コレクション中にガベージ・コレクションで領域がまったく解放されない場合、G1はフルGCをスケジュールします。このタイプのガベージ・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」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。