GC_Qiita

Qiita用のGC解説スライド

Transcript

1. G r e e n T e a G C へ G O か ら 学 ぶ G C
2. アーキテクチャユニットぽいかっこいい 発表したいなあ
3. GCについて語ればそれっぽいかもしれない
4. 必死に勉強して作りました 優しい目で見てください
5. はじめに わからん！ってなったら止めてもらっても大丈夫です 質問はSlackにお願いします なんとなくGCのイメージ掴めたらそれでOKです 40枚くらいあるので頑張ってついてきてください
6. お品書き GCとは 現在のGoのGC実装 Green Tea GCのアプローチ Ruby/PythonのGC まとめ
7. GCってなんなん
8. GCとは GC = Garbage Collection 不要になったメモリを自動で回収する仕組み
9. メモリを回収しないとどうなるの？ 使い終わったメモリが解放されず、どんどん蓄積 →メモリリーク Out of Memory (OOM) エラーでプログラム強制終了 メモリ不足でスワップ（ディスクI/O）が発生 アプリケーションのパフォーマンス低下
10. GCの目的 安全性 メモリリークやダングリングポインタの回避 セキュリティリスクの低減 開発効率の向上 malloc/freeの対応管理から解放 コードがシンプルになり、メモリ管理のバグを減らせる 安定性 ランタイムによる最適化で性能が安定 サービス品質の向上
11. GoにおけるGCの仕組み Concurrent Mark & Sweepを採用
12. GCの簡単なアルゴリズム紹介
13. GCについての前提知識 ルートセット オブジェクトが到達可能か（生存しているか）を判定 するための始点 基本的にメモリのスタック領域 他にも、グローバル変数・静的変数・実行中のゴルー チンなど
14. GCについての前提知識 スタック・ヒープ プログラムのメモリ空間 ス タ ッ ク ： 関 数 の 実 行 に 必 要 な 一 時 的 な デ ー タ を 格 納。自動管理で高速 ヒ ープ ： 動 的 に 確 保 さ れ る 大 き な デ ー タ を 格 納 。 GC が必要で低速
15. GCについての前提知識 STW(Stop The World) GC実行中にアプリケーションを一時停止すること GC 中 に オ ブ ジ ェ ク ト が 変 更 さ れ る と、 正 確 な 判 定 が できない すべてを停止させて「スナップショット」を取る必要 がある
16. GCについての前提知識 Write Barrier（書き込みバリア） 並 行 GC 中 に、 ア プ リ が オ ブ ジ ェ ク ト を 変 更 し た 際 に GCに通知する仕組み 詳しくは、Tri-color Markingの解説に合わせて説明 します
17. メモリ構造とGC ルートセット プログラムのメモリ空間 スタック (Stack) main() 関数 config *Config → ヒープ上のConfigオブジェクト count int = 42 （プリミティブ値） users []User → ヒープ上の配列 processData() 関数 data *Data → ヒープ上のDataオブジェクト temp string = "processing" ← 現在の実行位置 スタックの特徴 • 関数の呼び出し順に積み重なる（LIFO） • 関数終了時に自動的に解放 • 高速アクセス・サイズ制限あり（通常数MB） • ローカル変数・引数・戻り先アドレスを格納 ヒープ (Heap) Config オブジェクト host: "localhost" port: 8080 db: *Database []User 配列 [0]: {name: "Alice"} [1]: {name: "Bob"} [2]: {name: "Carol"} Data オブジェクト id: 12345 content: "..." next: *Data Database オブジェクト connection: "..." pool: [...] 未参照 （ガベージ） OldData 未参照 （ガベージ） TempBuffer ヒープの特徴 • 動的にメモリを確保（new, make, malloc等） • 大きなデータ構造やオブジェクトを格納 • GCまたは手動での解放が必要 • スタックより低速だが、サイズ制限が緩い 🎯 ルートセット（GC Roots ） - ガベージコレクションの起点 1. スタック上の参照 • 実行中の関数のローカル変数 • 関数の引数 • 一時変数 例: config, users, data 2. グローバル/ 静的変数 • プログラム全体で共有 • クラスの静的フィールド • シングルトンインスタンス 例: globalCache, logger 3. レジスタ/ 実行コンテキスト • CPU レジスタ内の参照 • 実行中のスレッド状態 • Goの場合：Goroutineスタック 現在処理中の値 ⚡ なぜ重要？ • これらから到達可能 = 生存 • 到達不可能 = ガベージ • GCの正確性を保証 循環参照も正しく判定可能
18. Mark & Sweep
20. Tri-color Marking
22. Concurrent Mark & Sweep Tri-color Concurrent Parallel Mark&Sweep この表現の方がわかりやすいかも、並列でMarkを行う Initial Mark ルートセットを灰色にマーク Write Barrierを有効化 Concurrent Mark gcBgMarkWorkerが並列でヒープ領域をマーキング アプリケーションと同時実行
23. Concurrent Mark & Sweep Mark Termination マーキング完了処理 Write Barrier無効化 Concurrent Sweep（並行実行） 未マークオブジェクトを解放 バックグラウンドで実行
24. 現状のGCの課題感 メモリアクセスが非効率な場合がある
25. 現状のGCの課題感 オブジェクトベースでメモリを探索するため、キャッ シュが効かない。DRAMへのアクセス待ちが増えて遅 くなる GCサイクルの中で同じ領域を分散してアクセスするた め、キャッシュに載せても再利用できず無駄になる 現行 GC は NUMA などメモリトポロジを考慮してい ないため、遠いメモリにアクセスして遅延が発生
26. 現状のGCの課題感 キャッシュヒット率が低い 再利用できない 遠いメモリに触りにいく
27. ハードウェアトレンドとのミスマッチ CPUの進化 コア数は増加し続けている(8, 16, 64コア...) 処理能力は向上 メモリの進化 速度向上は緩やか CPU-メモリ速度差は年々拡大（Memory Wall問題）
28. 時代のハードウェアに最適化されていない？
30. GreenTeaGCのアプローチ 🍵 オブジェクト単位ではなくメモリブロック（スパン）単 位でスキャンする
32. GreenTeaGCのアプローチ 🍵 従来のアルゴリズムの延長にある そ の 上 で 、 オ ブ ジ ェ ク ト 単 位 で は な く メ モ リ ブ ロ ッ ク （スパ ン）を処理単位とする 512バイトを超える大きなオブジェクトは、従来のア ルゴリズムで処理 1回のスキャンで得られるポインタ数が多く、スキャ ンごとのオーバーヘッドを容易に償却できるため
33. 何が良くなるのか？
34. 何が良くなるのか スパ ン単位での連続スキャンにより空間的局所性が向上 メモリ全体を飛び回る無駄なアクセスが削減される キャッシュヒット率の向上 スキャン効率の向上 CPUサイクルの無駄なメモリアクセス待ちを削減 同一スパ ンへの再訪問を削減 メモリトポロジー最適化 8KiB境界アライメント ローカルメモリ優先アクセス
35. 何が良くなるのか 空間的局所性：スパ ン単位スキャンでキャッシュ効率向上 時間的効率性：再訪問削減でCPU待ち時間削減 ハードウェア最適化：NUMA対応で物理配置を考慮
36. GreenTea GCの今後 https://github.com/golang/go/milestone/373 マイルストーンにGreenTeaGCについての記述あり デフォルト化は未定 https://github.com/golang/go/issues/73581
37. RubyとPythonのGC（参考） Ruby 世代別Mark & Sweep インクリメンタルGCでSTWを分割（Ruby 2.2以降） Ruby 3.1以降は3世代GC Python 参照カウント + サイクル検出 即座にメモリ解放されるが、refcount操作のオーバーヘ ッドあり
38. まとめ
39. まとめ GCの基礎 不要メモリの自動回収で安全・効率的な開発を実現 GoのGC実装 Concurrent Mark & Sweep（低レイテンシー） Green Tea GC オブジェクト単位ではなくメモリブロック（スパ ン） 単位でスキャンする 今後はGreen Tea GCの実用化に期待
40. 参考文献 https://github.com/golang/go/issues/73581 https://go.dev/doc/go1.25 https://qiita.com/gold- kou/items/4431d3dd41606d41732b https://www.dolthub.com/blog/2025-09-26-greentea- gc-with-dolt/ https://speakerdeck.com/zchee/the-current-status- of-green-tea-gc https://siddharthav.medium.com/green-tea-garbage- collector-63233aa5a9b5
41. みんなもGoを書こう
42. 次はアセンブリについて 発表しようかなと思ってます
43. ありがとうございました T H A N K Y O U