JVM入門  -Javaプログラムが動く仕組み-

by Kinoko

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JVM⼊⾨  Javaプログラムが動く仕組み Abe Asami (きの⼦)

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⾃⼰紹介 "CF"TBNJl͖ͷࢠz  େࡕͷϑϦʔϥϯεϓϩάϥϚ IUUQOPDPOPOFU !BBUI +BWB,PUMJO4DBMBͳͲͳͲ

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最近やっていること https://www.geekhub.jp/  ΤϯδχΞಛԽ߹ಉઆ໌ձΠϕϯτɻ࣍ճ 1/25(౔) ։࠵༧ఆ ʮJava11ʹΑΔ  WebΞϓϦέʔγϣϯ։ൃͰֶͿ  Javaϓϩάϥϛϯάೖ໳ʯൢചத https://www.udemy.com/java11-springbootweb-java/

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このセッションのターゲット • JavaͰ։ൃΛ͍ͯ͠Δ͕ɺJVM͕ԿΛ͍ͯ͠ Δͷ͔͸Α͘஌Βͳ͍ਓ • ώʔϓɺGCɺOutOfMemoryɺJITɺ HotSpotɺGraal…ͳͲͳͲ͍ΖΜͳ༻ޠΛࣖ ʹ͸͢Δ͕Α͘Θ͔Βͳ͍

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このセッションのゴール • JVMपΓͷ༻ޠ͕;ΜΘΓཧղͰ͖ΔΑ͏ʹͳΔ • JVM͕ԿΛ΍͍ͬͯΔ͔͕ͳΜͱͳ͘Θ͔ΔΑ͏ ʹͳΔ • JVMपΓͰࠔΓ͝ͱʹૺ۰ͨ͠৔߹ʹͲ͏ղੳ͠ ͯରॲ͢Ε͹͍͍ͷ͔ɺΞλϦΛ͚ͭΔ͜ͱ͕Ͱ ͖ΔΑ͏ʹͳΔ

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JVMとは？

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JavaVM (Java仮想マシン) • JavaόΠτίʔυΛ࣮ߦ͢ΔͨΊͷԾ૝؀ڥ • OSґଘΛٵऩ

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JDK‧JREとJVMの関係 • JRE(Java Runtime Environment) • JavaΛ࣮ߦ͢ΔͨΊʹඞཁͳιϑτ΢ΣΞηοτ • JVMΛؚΉ • JDK(Java Development Kit) • Javaͷιϑτ΢ΣΞ։ൃΛߦ͏ͨΊʹඞཁͳιϑτ΢ΣΞ ηοτ • JREΛؚΉ

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Javaのコードが JVM上で動くまで

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Javaソースコード

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コンパイル

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Javaバイトコードを含むクラスファイルが⽣成されるバイナリファイルであるためそのままだと読めないので、「javap」コマンドで⼈間に読める形に逆アセンブル

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実⾏

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Hello! World!

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実⾏の流れ ᶃ JVMىಈ ᶄ ϩʔυ  (Ϋϥεϩʔμʔ͕ඞཁͳΫϥεϑΝΠϧΛಡΈࠐΉ) ᶅ ϦϯΫ(Ϋϥε͕ഁଛ͍ͯ͠ͳ͍͔ͷݕূ΍ࢀরͷղܾ) ᶆ ॳظԽ(staticϑΟʔϧυͷॳظԽͳͲ) ᶇ mainϝιου࣮ߦ

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バイトコードは1⾏ずつ実⾏される

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でもそれだと処理速度が遅い‧‧‧

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「JITコンパイラ」 ͦ͜Ͱొ৔͢Δͷ͕

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JITコンパイラ  (Just In Time Compiler) • ࣮ߦ࣌ʹίϯύΠϧΛߦ͍ॲཧΛ࠷దԽ͢Δ • ྫ͑͹Α͘ݺͼग़͞ΕΔॲཧʹ͍ͭͯ࠷ దԽΛߦͳ͏ͳͲɺ࣮ߦ݁ՌΛݩʹॲཧ Λߦͳ͏ • Java͸javacʹΑΔΫϥεϑΝΠϧ΁ͷίϯύ Πϧͱɺ͜ͷ࣮ߦ࣌ͷίϯύΠϧ͕͋Δ

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Javaバイトコードは「命令」 • JavaԾ૝Ϛγϯͷ໋ྩηοτ • ྫʣ  i2fɾɾɾintΛﬂoatʹม׵  faddɾɾɾﬂoatͷՃࢉΛߦͳ͏

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JVMはスタックマシン • ʮελοΫʯͱݺ͹ΕΔྖҬʹ໋ྩΛPushɾ Pop͠ͳ͕ΒɺϓϩάϥϜΛ࣮ߦ͍ͯ͘͠

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実⾏イメージバイトコードの命令を1⾏ずつ実⾏変数の値を読み込んでPush するという命令

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値を2つpopし、⾜した結果をPushするという命令

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このスタックは  「オペランドスタック」

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メソッドを呼び出すと  「フレーム」が作成されます

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「メソッドフレーム」これもスタック

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スタックトレース • ελοΫͷग़ྗ • ϝιουͷݺͼग़͠ͷཤྺ

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スタックオーバーフロー • ελοΫͷڐ༰ྔΛ௒͑Δͱ ʮStackOverﬂowErrorʯ

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スレッドスレッドの中に1つのスタック(メソッドフレーム)がある

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Javaはマルチスレッド

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スレッドダンプ • ͱ͋ΔॠؒͷεϨου(ελοΫͳͲ)ͷঢ়ଶ Λग़ྗͨ͠΋ͷ • jstack ɾjcmdίϚϯυͰग़ྗ͢Δ͜ͱ͕Ͱ͖ Δ • τϥϒϧൃੜ࣌ͷௐࠪ΍ύϑΥʔϚϯεɾ νϡʔχϯάʹ໾ཱͭ

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JVMの種類について

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JVMには種類がある • JVMͷ࢓༷͸JavaԾ૝Ϛγϯ࢓༷ʹΑͬͯن ఆ͞Ε͍ͯΔ͕ɺந৅త • classϑΝΠϧΛಡΈࠐΜͰਖ਼࣮͘͠ߦͰ ͖Ε͹OKͰ͋ͱ͸JVMͷ࣮૷ऀ࣍ୈ • ֤छϕϯμ͕ಠࣗJVMΛఏڙ͍ͯ͠Δ

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HotSpotVM • Oracleఏڙ • Ұ൪ϝδϟʔͰɺେମͷਓ͸͜ΕΛ࢖͍ͬͯ Δഺ • HotSpotͱ͍͏JITίϯύΠϥΛ࠾༻

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GraalVM • ͜Ε΋Oracleఏڙ • Graalͱ͍͏JITίϯύΠϥΛ࠾༻͍ͯ͠Δ • Ruby΍PythonͳͲଞݴޠΛ࣮ߦ͢Δػೳ΋ • AOTίϯύΠϧͰͷωΠςΟϒΠϝʔδԽ΋ ஫໨͞Ε͍ͯΔ ࠷ۙΑ͘ฉ͘

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AOTコンパイル • ࣄલίϯύΠϧ • JITͱҟͳΓɺJVMىಈલʹωΠςΟϒίʔ υ(=OS͕ղऍͰ͖Δίʔυ)ʹίϯύΠϧ • Java9͔Βಋೖ • HotSpotVMͰ΋࣮ݧతʹ(?)ಋೖ͞Ε͍ͯΔ ちょっとややこしいけど最近よく名前が出る‧‧‧

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JVMのメモリ管理

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前提条件 • HotSpot VM Java8 • όʔδϣϯ΍JVMʹΑͬͯࠩҟ͕͋ͬͯ  ΍΍͍͜͠ͷͰ

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JVMのメモリ構造

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プログラムで⽣成したオブジェクトはHeapに割り当てられる

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これが「GC」

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GC(GarbageCollection) • ·ͣɺෆཁͱͳͬͨΦϒδΣΫτΛ୳͢ɻ • ෆཁͱ൑அͨ͠ϝϞϦΛղ์͢Δɻ

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ヒープのサイズはオプションで  設定することができる % java -Xms600m -Xmx800m -Xloggc:gc.log -XX:+PrintGCDetails -XX: +PrintGCDateStamps Main -Xms ɾɾɾώʔϓͷॳظαΠζ  -Xmx ɾɾɾώʔϓͷ࠷େαΠζ

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GCはとてもコストがかかります • GC༻ͷεϨου͕ඞཁ • GCର৅ͷΞϓϦέʔγϣϯεϨουΛࢭΊͯ ͠·͏ GCʹΑΓ௕࣌ؒΞϓϦέʔγϣϯ͕ࢭ·Δݱ৅Λ  Stop the World (STW) ͱݺͿ

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GCには⾊々なアルゴリズムがある • Mark&Sweep • Copy • ੈ୅ผ

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GCには⾊々なアルゴリズムがある • Mark&Sweep • Copy • ੈ୅ผ これらのアルゴリズムを基本に、各JVMが独⾃でGCを実装している

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HotSpotVMのGCの種類 • γϦΞϧܕ • ύϥϨϧܕ • CMS • G1 ※ Java にはShenandoah という新しいGCが実験的に追加されているそうです。基本はJVM任せでOKだが、  シビアなチューニングが必要な場合は  それぞれのメリット‧デメリットを踏まえて選択する。  (スループット重視かレスポンス重視か‧‧‧)

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いろいろあるけど  「世代別」が基本となっているので世代別GCについて説明します

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ヒープには「Young領域」と「Old領域」があります

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オブジェクトはまずYoung領域に作られます

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Young領域がいっぱいになってきたら‧‧‧

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Young領域だけGCが実⾏されます

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これを「マイナーGC」といいます

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GCされず、⽣き残った  回数はカウントされます

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マイナーGCを繰り返す中でいつまでも  残り「歳をとった」オブジェクトは‧‧‧

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Old領域に移動します

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もしOld領域もいっぱいになってきた場合‧‧‧

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ヒープ全域にGCが⾛ります

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これを「メジャー(Full )GC」といいます

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実際のプログラムで GCの状況を解析してみる

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GCログ • GCͷॲཧ࣌ؒ΍લޙͷϝϞϦ࢖༻ྔͳͲͷϩ ά

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GCViewer • GCϩάͷϏϡʔΞʔ • https://github.com/chewiebug/GCViewer • 2019/07/18 ݱࡏɺJDK11ະରԠ

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とりあえず、なんかしら動かして GCログを出してみる

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参照が残らないインスタンスを  ひたすら⽣成

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実⾏ java -Xloggc:gc.log -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps Main GCϩάग़ྗͷͨΊͷΦϓγϣϯ (※ඪ४ग़ྗʹग़͚ͩ͢Ͱ͋Ε͹   -verbose:gc ͚͚ͩͭΕ͹OK)

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出⼒されたログ

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GCViewerで開いてみる

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ΦϒδΣΫτ͸·ͣYoungྖҬʹ࡞ΒΕɺ  ੜ੒͔Β͕࣌ؒܦͭͱOldྖҬʹҠಈ͢Δ

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ࠓճ͸OldྖҬ΁ͷҠಈ͕ൃੜ͠ͳ͍ͨΊ  ώʔϓશମͷ࢖༻ྔ ≒ YoungྖҬͷώʔϓ࢖༻ྔ

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GC࣌ʹͪΌΜͱϝϞϦ͕ղ์͞Ε͍ͯΔ

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ϚΠφʔGCɾɾɾYoungྖҬͷΈ͕ର৅ YoungྖҬ͕  ͍ͬͺ͍ʹͳͬͨ  λΠϛϯάͰ  ϚΠφʔGC͕  ࣮ߦ͞Ε͍ͯΔ

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もう1パターン  試してみる

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参照が残るインスタンスを  ひたすら⽣成

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GCログ

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これもGCViewerで開いてみる

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Full GC (ϝδϟʔGC)ɾɾɾશώʔϓྖҬ͕ର৅

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Full GCは時間がかかる 2019-07-18T07:28:35.759-0900: 53.145: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1153507K->190965K(1768960K)] 1400776K->506242K(2118656K), 0.3026525 secs] [Times: user=2.55 sys=0.14, real=0.31 secs] 2019-07-18T07:28:36.064-0900: 53.450: [Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 190965K->190932K(1768960K)] [ParOldGe 315276K->290297K(610816K)] 506242K->481229K(2379776K), [Metaspace: 2676K->2676K(1056768K)], 4.7517463 secs] [Times: user=29.92 sys=0.06, real=4.75 secs] ্ͷϚΠφʔGC ɾɾɾ 0.31 secs  ԼͷFull GC ɾɾɾ 4.75 secs

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ヒープダンプ • ಛఆͷ࣌ࠁʹώʔϓ಺ʹؚ·ΕΔ͢΂ͯͷΦϒ δΣΫτͷεφοϓγϣοτ java -Xms600m -Xmx800m -Xloggc:gc.log -XX:+PrintGCDetails -XX: +PrintGCDateStamps -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError Main -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError  ɾɾɾ OOMEൃੜ࣌ʹώʔϓμϯϓΛग़ྗ

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まとめ • ීஈͷ։ൃͰ͋·Γҙࣝ͢Δ͜ͱ͸ͳ͍͚Ε Ͳ΋ɺಛʹӡ༻ϑΣʔζͰԿ͔τϥϒϧ͕ ͋ͬͨ৔߹ʹɺJVMͷ͜ͷลͷ஌͕ࣝ͋Δͱ ߄ͯͳͯ͘͢Ή (ଟ෼)

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ご清聴ありがとうございました。

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参考資料 • JavaԾ૝Ϛγϯ࢓༷ (The Java series) • ಺༰͕ݹ͍ͷͰ஫ҙ • JavaύϑΥʔϚϯενϡʔχϯά ୈ2൛ • JavaͷϓϩάϥϜ͸Ͳ͏΍ͬͯಈ͍͍ͯΔͷ? JVMฤ https:// www.slideshare.net/skrb/java-jvm • JavaͷϓϩάϥϜ͸Ͳ͏΍ͬͯಈ͍͍ͯΔͷ? GCฤ https:// www.slideshare.net/skrb/java-gc-47402594

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• OutOfMemoryError ͷௐ΂ํ - Qiita https://qiita.com/opengl-8080/ items/64152ee9965441f7667b • Java͸ͲͷΑ͏ʹಈ͘ͷ͔ʙਤղͰΘ͔ΔJVMͷ࢓૊Έɿ࿈ࡌʛ gihyo.jp … ٕज़ධ࿦ࣾ http://gihyo.jp/dev/serial/01/jvm-arc • ʮϝϞϦʔΛҙࣝͯ͠ΈΑ͏ʯୈ2ճɹGCͷ࢓૊ΈΛཧղ͢Δ | ೔ܦ xTECHʢΫϩεςοΫʣ https://tech.nikkeibp.co.jp/it/article/ COLUMN/20060612/240657/?rt=nocnt • ·͡ΊʹJVMνϡʔχϯά: ୈ1ճ ·ͣ͸ݱঢ়֬ೝ https:// x1.inkenkun.com/archives/367