Java, Go, Rustのメモリ管理手法の比較

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Java, Go, Rustのメモリ管理⼿法の⽐較和⽥隆道 JJUG CCC 2025 Spring 2025/06/07

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1 © LY Corporation 和⽥隆道 Wada Takamichi LINEヤフー株式会社コマースカンパニー SC統括本部開発本部 #LINEギフトのサーバーサイドエンジニア #新卒3年⽬前回のJJUGでも発表しました︕ 新卒2年⽬エンジニアがLINEギフトの保守性を⾼めるために取り組んだこと

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Todayʼs Agenda 2 © LY Corporation 1. メモリの役割 2. Java, Go, Rustのメモリ管理⼿法 3. 負荷テストでパフォーマンス⽐較

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発表の動機 © LY Corporation 3 l 普段の業務ではJavaを、ISUCONではGoを使っていたが、メモリがどのように管理されているか意識することは少なかった。GCを使っていることは知ってる l また、最近流⾏りのRustはGCがないらしい。どういうこと︖ l それぞれどのようにメモリ管理してるのか、それはどのようにパフォーマンスに影響するのか、知りたい︕ ⾔語ごとにメモリ管理⼿法がどのように異なるのか知りたい

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伝えたいこと © LY Corporation 4 ⾔語ごとにメモリ管理⼿法が様々で⾯⽩い︕アツい︕ l Java: 世代別GC l Go: エスケープ解析とシンプルなGC l Rust: Ownershipで管理してGC不要

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Todayʼs Agenda 5 © LY Corporation 1. メモリの役割 2. Java, Go, Rustのメモリ管理⼿法 3. 負荷テストでパフォーマンス⽐較

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メモリの役割 © LY Corporation 6 レジスタキャッシュメモリメインメモリ 2次記憶装置プログラム変数速度容量⾼速低速⼤容量低容量

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メモリの構造 © LY Corporation 7 テキスト領域静的領域ヒープ領域スタック領域 ︓プログラムを格納する領域 ︓グローバル変数や静的変数を格納する領域 ︓動的に割り当てられる領域 ︓関数の引数・ローカル変数・戻り値を格納する領域

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メモリの構造 © LY Corporation 8 テキスト領域静的領域ヒープ領域スタック領域 ︓プログラムを格納する領域 ︓グローバル変数や静的変数を格納する領域 ︓動的に割り当てられる領域 ︓関数の引数・ローカル変数・戻り値を格納する領域ヒープとスタックの管理⼿法は⾔語によって様々でありパフォーマンスへの影響が⼤きい

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Todayʼs Agenda 9 © LY Corporation 1. メモリの役割 2. Java, Go, Rustのメモリ管理⼿法 3. 負荷テストでパフォーマンス⽐較

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Todayʼs Agenda 10 © LY Corporation 1. メモリの役割 2. Java, Go, Rustのメモリ管理⼿法 3. 負荷テストでパフォーマンス⽐較

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Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 11 スタックヒープ

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 12 personFnction main args

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 13 main args

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 14 printAlice main args

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 15 printAlice main args

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 16 Alice name age Alice 26 オブジェクトは基本的にヒープに割り当てられる printAlice main args

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 17 Alice name age Alice 26 オブジェクトは基本的にヒープに割り当てられる printAlice alice main args

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 18 Alice name age Alice 26 printAlice alice main args

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 19 Alice name age Alice 26 printAlice alice main args

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 20 personFunction ヒープにオブジェクトが残る Alice name age Alice 26 main args

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 21 Alice name age Alice 26 main args

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 22 Alice name age Alice 26 returnBob main args

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 23 Alice name age Alice 26 returnBob main args

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 24 Bob name age Bob 22 オブジェクトは基本的にヒープに割り当てられる Alice name age Alice 26 returnBob main args

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 25 Bob name age Bob 22 オブジェクトは基本的にヒープに割り当てられる Alice name age Alice 26 returnBob bob main args

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 26 Bob name age Bob 22 Alice name age Alice 26 returnBob bob main args

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 27 main args Bob name age Bob 22 Alice name age Alice 26 returnBob bob

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 28 main args Bob name age Bob 22 Alice name age Alice 26 returnBob bob

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 29 main args Bob name age Bob 22 Alice name age Alice 26

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 30 main p args Bob name age Bob 22 Alice name age Alice 26

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 31 main p args Bob name age Bob 22 Alice name age Alice 26

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 32 main p args Bob name age Bob 22 Alice name age Alice 26

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 33 main p args Bob name age Bob 22 Alice name age Alice 26

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スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 34 Bob name age Bob 22 Alice name age Alice 26

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Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 35 スタックヒープヒープに参照されないオブジェクトが残る→Garbage Collection(GC)が必要 Bob name age Bob 22 Alice name age Alice 26

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Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 36 スタックヒープヒープに参照されないオブジェクトが残る→Garbage Collection(GC)が必要 Bob name age Bob 22 Alice name age Alice 26

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ヒープ Java: Garbage Collection(GC) © LY Corporation 37 スタック object object object object object var ⽬的はヒープの不要なオブジェクトを解放すること

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ヒープ Java: Garbage Collection(GC) © LY Corporation 38 スタック object object object object object スタックの変数からオブジェクトの参照を辿る var

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ヒープ Java: Garbage Collection(GC) © LY Corporation 39 スタック object object object object object スタックの変数からオブジェクトの参照を辿る var

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ヒープ Java: Garbage Collection(GC) © LY Corporation 40 スタック object object object object object スタックの変数からオブジェクトの参照を辿る var

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ヒープ Java: Garbage Collection(GC) © LY Corporation 41 スタック object object object object object スタックの変数からオブジェクトの参照を辿る var

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ヒープ Java: Garbage Collection(GC) © LY Corporation 42 スタック object object object object object 参照のないオブジェクトがある var

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ヒープ Java: Garbage Collection(GC) © LY Corporation 43 スタック object object object object object 参照のないオブジェクトがある→解放する var

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ヒープ Java: Garbage Collection(GC) © LY Corporation 44 スタック object object object object object var 参照のないオブジェクトがある→解放する

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ヒープ Java: Garbage Collection(GC) © LY Corporation 45 スタック object object object var 参照のないオブジェクトがある→解放する

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ヒープ Java: Garbage Collection(GC) © LY Corporation 46 スタック object object object var また、Javaでは世代別という⼯夫を⽤いてGCを効率化している

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Java:世代別GCによる効率化 © LY Corporation 47 Eden Old Survivor Survivor ヒープを固定サイズのリージョンに分割して管理する ✱ Java9以降でデフォルトのG1GCについて説明

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Java:世代別GCによる効率化 © LY Corporation 48 Eden Old Survivor Survivor object object オブジェクトはリージョンに割り当てられる ✱ Java9以降でデフォルトのG1GCについて説明

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Java:世代別GCによる効率化 © LY Corporation 49 Eden Eden Old Survivor Survivor リージョンは⽣存期間に基づいて世代に分類される ✱ Java9以降でデフォルトのG1GCについて説明 Eden Survivor Old

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Java:世代別GCによる効率化 © LY Corporation 50 Eden Eden Old Survivor Survivor 若いリージョンを優先的にGCする(世代別GC) ✱ Java9以降でデフォルトのG1GCについて説明 Eden Survivor Old

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Java:世代別GCによる効率化 © LY Corporation 51 Old Eden Eden Survivor Survivor 若いリージョンを優先的にGCする(世代別GC) Eden Survivor Old

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Survivor Java:世代別GCによる効率化 © LY Corporation 52 Old Eden Eden Survivor Survivor 不要オブジェクトを解放し、⽣存するオブジェクトはリージョンに集約する Eden Survivor Old

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Java:世代別GCによる効率化 © LY Corporation 53 Old Survivor Survivor Survivor 不要オブジェクトを解放し、⽣存するオブジェクトはリージョンに集約する Eden Survivor Old

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Java:世代別GCによる効率化 © LY Corporation 54 ⼤部分のオブジェクトは短命であるという特性を利⽤することで効率化 ✱ Java9以降でデフォルトのG1GCについて説明⼤部分のオブジェクトは短命[1]

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Javaのメモリ管理⼿法: まとめ © LY Corporation 55 l オブジェクトは基本的にヒープに割り当てられる l 不要になったオブジェクトを解放するためにGCを⾏う l 若いオブジェクトを優先的にGCすることで効率化(世代別GC) 世代別GCで効率的に不要オブジェクトを解放

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スタックヒープ Java:オブジェクトの割り当て⼿法 © LY Corporation 56 Bob name age Bob 22 Alice name age Alice 26 Bob alice オブジェクトは基本的にヒープに割り当てられる

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Go:オブジェクトの割り当て⼿法 © LY Corporation 57 スタックヒープ Alice name old Alice 26 alice bob エスケープ解析でスタックとヒープのどちらに割り当てるか決める Bob name old Bob 22 ✱ JavaでもJITコンパイラで実⾏時にエスケープ解析するがGoほど積極的には働いていない

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 58 スタックヒープ

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 59 スタックヒープ main

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 60 スタックヒープ main

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 61 スタックヒープ printAlice main

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 62 スタックヒープ printAlice main

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 63 スコープからエスケープしないオブジェクトはスタックに割り当てるスタックヒープ printAlice main Alice name age Alice 26

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 64 スコープからエスケープしないオブジェクトはスタックに割り当てるスタックヒープ printAlice alice main Alice name age Alice 26

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スタックヒープ Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 65 printAlice alice スコープからエスケープしないオブジェクトはスタックに割り当てる main Alice name age Alice 26

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 66 スタックヒープ printAlice alice main Alice name age Alice 26

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 67 スタックヒープ printAlice alice main Alice name age Alice 26

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 68 スタックヒープ main

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 69 スタックヒープ main

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 70 スタックヒープ main returnBob

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 71 スタックヒープ main returnBob

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スタックヒープ main Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 72 returnBob スコープからエスケープするオブジェクトはヒープに割り当てる ✱ 実際にはインライン化によりエスケープしない扱いになってスタックに置かれることもある

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スタックヒープ main returnBob Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 73 Bob name age Bob 22 スコープからエスケープするオブジェクトはヒープに割り当てる

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スタックヒープ main returnBob Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 74 bob スコープからエスケープするオブジェクトはヒープに割り当てる Bob name age Bob 22

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 75 スタックヒープ main returnBob bob Bob name age Bob 22

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 76 スタックヒープ main returnBob bob Bob name age Bob 22

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 77 スタックヒープ main p Bob name age Bob 22

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 78 スタックヒープ main p Bob name age Bob 22

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 79 スタックヒープ main p Bob name age Bob 22

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 80 スタックヒープ Bob name age Bob 22

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 81 ヒープに残るオブジェクトの数は少ないスタックヒープ Bob name age Bob 22

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Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 82 ヒープに残るオブジェクトの数は少ない→世代別を⾏わないシンプルなGC スタックヒープ Bob name age Bob 22

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Goのメモリ管理⼿法: まとめ © LY Corporation 83 エスケープ解析とシンプルなGC l エスケープ解析でオブジェクトをスタックとヒープのどちらに割り当てるか決める l ヒープに残るオブジェクトの数は少ない l 世代別を⾏わないシンプルなGC

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Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 84 スタックヒープ

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Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 85 スタックヒープ main

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Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 86 スタックヒープ main

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 87 main printAlice

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 88 main Alice name age Alice 26 printAlice ヒープにオブジェクトを割り当てる ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 89 printAlice alice ヒープにオブジェクトを割り当てる ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化 main Alice name age Alice 26

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 90 printAlice alice オブジェクトのOwnershipを変数aliceが持つ ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化 main Alice name age Alice 26

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 91 printAlice alice オブジェクトのOwnershipを変数aliceが持つ ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化 main Alice name age Alice 26

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 92 printAlice alice オブジェクトのOwnershipを変数aliceが持つ ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化 main Alice name age Alice 26

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 93 printAlice alice 変数aliceが解放される ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化 main Alice name age Alice 26

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Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 94 変数aliceが解放されるスタックヒープ ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化 printAlice alice main Alice name age Alice 26

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Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 95 変数aliceが解放される→Ownershipを持つオブジェクトも解放されるスタックヒープ ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化 Alice name age Alice 26 printAlice alice main

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Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 96 変数aliceが解放される→Ownershipを持つオブジェクトも解放されるスタックヒープ ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化 main

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 99 Bob name age Bob 22 returnBob ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化ヒープにオブジェクトを割り当てる main

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 100 returnBob bob ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化 main Bob name age Bob 22 ヒープにオブジェクトを割り当てる

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 101 returnBob bob ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化オブジェクトのOwnershipを変数bobが持つ main Bob name age Bob 22

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 102 ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化オブジェクトのOwnershipを変数bobが持つ main Bob name age Bob 22 returnBob bob

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 103 ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化オブジェクトのOwnershipを変数bobが持つ main Bob name age Bob 22 returnBob bob

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 104 main p ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化オブジェクトのOwnershipが移動する Bob name age Bob 22

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 105 main p ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化オブジェクトのOwnershipが移動する Bob name age Bob 22

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 106 main p ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化オブジェクトのOwnershipが移動する Bob name age Bob 22

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 107 main p ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化変数pが解放される Bob name age Bob 22

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 108 main p ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化変数pが解放される Bob name age Bob 22

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 109 main Bob name age Bob 22 p ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化変数pが解放される→Ownershipを持つオブジェクトも解放される

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スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 110 ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化変数pが解放される→Ownershipを持つオブジェクトも解放される

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Java, Go, Rustのメモリ管理⼿法: まとめ © LY Corporation 114 それぞれ異なる⼿法でメモリを管理している l Java: 世代別GC l Go: エスケープ解析とシンプルなGC l Rust: Ownershipで管理してGC不要

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負荷テストの概要 © LY Corporation 116 1KBのオブジェクトを1万個⽣成する関数(createObjects)の実⾏時間を⽐較する l ⽬的: メモリ管理⼿法の違いがパフォーマンスにどう影響するか⽐較すること l 設定: createObjectsを1000回実⾏する(メモリ8GB、CPU2コア) l 指標: createObjectsの実⾏時間

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まとめ © LY Corporation 123 l Javaは世代別GC、Goはエスケープ解析とシンプルなGC、RustはOwnershipでGC不要 l 負荷テストでは、JavaはGCでスパイクが⽴つ、Goはヒープを使わないのでほぼ⼀定、 Rustは安定しているがヒープを使うので少しばらつく、と⾔う結果だった l ⼀⽅で、それぞれ最適化の余地は⼗分にあるし、設定によって結果も変動する l Java: JVMパラメータ調整、他のGCアルゴリズム、JITコンパイラが効くように実装 l Go: (ヒープ使ってるなら)スタック使うように実装、GCパラメータ調整、アリーナ l Rust: スタック使うように実装、メモリアロケータの選択それぞれ異なる⼿法でメモリを管理しているそれによってパフォーマンスの特性が異なることも確認できた

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参考⽂献 © LY Corporation 124 1. ORACLE ガベージ・コレクション・チューニング・ガイド 2. Garbage First Garbage Collection (G1 GC) #jjug_ccc #ccc_cd6 3. Visualizing memory management in JVM(Java, Kotlin, Scala, Groovy, Clojure) 4. Go⾔語のGCについて - LINE Engineering 5. Getting to Go: The Journey of Goʻs Garbage Collector – The Go Blog 6. The Rust Programming Language