Goから学ぶGC -Green Tea GCによる次世代最適化-

GCの基本概念と、GoにおけるGCの実装、そしてGreen Tea GCによる次世代最適化について解説しています

Transcript

1. G r e e n T e a G C に よ る 次 世 代 最 適 化 G O か ら 学 ぶ G C by Renée French CC BY 3.0
2. 伊東祐哉（𝕏: @go_poron10） ダイレクト出版株式会社/Tech Lead ECサイトのバックエンド リアーキテクチャ・システム設計 社内用MCP 趣味 麻雀 🀄, 読書 スライド資料は𝕏にアップロードします 自己紹介
3. ロワイヤルテラッセの「生パイ」 絶品かつ東京では買えない 小さい頃から仙台に来たら必ず食べてます 綺麗に食べられないことしか欠点がないです 余談
4. 突然ですが、Go1.26のリリースノートは 読みましたでしょうか？
5. Green Tea GC Go 1.26 Release Notes#runtime
6. Green Tea GCのデフォルト化 🎉🎉
7. Green Tea GCって何がすごい？ てかそもそもGCって...?
8. 今日のゴール GCのイメージが掴めること Green Tea GC の 何 が 偉 い の か と 、 思 想 を 理解できること
9. 目次 GCとは 現在のGoのGC実装 Green Tea GCのアプローチ まとめ
10. GCってなんなん
11. 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
12. 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
13. 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
14. GoにおけるGC Concurrent Tri-color Mark & Sweep
15. GCの前提知識紹介
16. 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
17. 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 全ゴルーチンのスタック グローバル変数（パッケージレベル変数）など ル ー ト セ ッ ト か ら 辿 れ る オ ブ ジ ェ ク ト は 「 生 き て い る」 、辿れないものは「ゴミ」として回収されます。
18. 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
19. 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
20. 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) processData() data *Data → ヒープ上Data temp string = "processing" ← 現在の 実行位置 main() config *Config → ヒープ上Config count int = 42 users []User → ヒープ上配列 ヒープ (Heap) Config host: "localhost" port: 8080 db: *Database []User 配列 [0]: Alice [1]: Bob [2]: Carol Data id: 12345 next: *Data Database connection: "..." pool: [...] OldData 未参照（ガベージ） TempBuffer 未参照（ガベージ） 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 → 到達可能 = 生存 2. グローバル / 静的変数 ・プログラム全体で共有 ・シングルトンインスタンス 例: globalCache, logger → 到達可能 = 生存 3. レジスタ / Goroutine スタック ・CPUレジスタ内の参照 ・実行中のGoroutine状態 Goの場合: 各Goroutineのスタック 到達不可能 = ガベージ → 回収 生存オブジェクト ガベージ（回収対象） 参照
21. Mark & Sweep
22. Mark & Sweep ガベージコレクション ① 初期状態 ルートセット A B C D E 全オブジェクトが未マーク状態 Root → A, B ／ A → E ／ B → C D はどこからも参照されていない ▶ ② Mark フェーズ ルートセット A B C D E 処理内容： 1. ルートセットからスタート 2. 参照を辿って到達可能なオブジェクトを探索 3. 発見したオブジェクトにマークを付ける ▶ ③ Sweep フェーズ ルートセット A B C FREE E 処理内容： 1. ヒープ全体をスキャン 2. マークがないオブジェクトを特定 3. メモリを解放してフリーリストに追加 ✅ メリット 実装がシンプルで理解しやすい 循環参照を正しく検出・解放できる メモリ使用量の予測が比較的容易 全てのガベージを確実に回収 ⚠ デメリット Stop-the-World（全スレッド停止）が必要 メモリの断片化（フラグメンテーション）が発生 ヒープが大きいと処理時間が長くなる キャッシュ効率が低下する可能性 未マーク マーク済み（生存） 解放済み（FREE）
23. concurrent Tri-color Marking
24. Tri-color Marking - Go 言語のGC 並行マーキングを実現する三色アルゴリズム 白 (White) 未探索・回収候補 灰 (Gray) 探索中・参照先未確認 黒 (Black) 探索完了・生存確定 回収 白のまま→解放 Step 1: 初期状態 Root A B C D E 全オブジェクトが白（未探索状態） Step 2: ルートから開始 Root A B C D E ルートから到達可能な A, B を灰色に Step 3: 灰色を処理 Root A B C D E A→E, B→Cの参照先を灰色に / A, B自身を黒に変更 Step 4: 完了 Root A B C FREE E 灰色なし → マーキング完了 白が残っていれば回収対象 🔄 並行実行の 仕組み • Mutator（アプリ）とGCが並行動作 • Write Barrierで参照変更を追跡 • STWは最小限に抑制 • Go 1.5以降で採用 ⚡ Go 言語の 最適化 • Goroutine統合GCスケジューリング • ペーシング: メモリ基準でGC起動 • アシスト: MutatorがGC支援 • 目標: GC停止時間を10ms以下に ✅ 特徴とトレードオフ 利点： レイテンシ低、リアルタイム向き コスト： Write Barrierオーバーヘッド リソース： CPUコア1つをGC専用に メモリ： フットプリントやや大 📝 Write Barrier （書き込みバリア）の役割 並行GC中にアプリがポインタを書き換えた場合、GCが見落とさないように通知する仕組み 例: 黒オブジェクトAが新たに白オブジェクトFを参照 → Write BarrierがFを灰色に変更し、GCの探索対象に追加 これにより、並行実行中でもオブジェクトの見落とし（Lost Update 問題）を防止する ※ 参照関係: Root → A, B ／ A → E ／ B → C ／ D はどこからも参照されていない（到達不能）
25. Concurrent Mark & Sweep Concurrent Mark & Sweep with Tri-color Marking 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 短いSTW 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
26. Concurrent Mark & Sweep Mark Termination マーキング完了処理 Write Barrier無効化 ここも短いSTW 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
27. 現状のGC GoのGCはよくできている。STWを最小化し、 並行でマーキングできる設計。 でも本当に課題はないのか？
28. 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
29. 現状のGCの課題感 オブジェクトの参照を辿って探索するため、メモリ空 間を飛び回るアクセスパターンになりうる CPUのL1キャッシュが効かず、DRAMへのアクセス待 ちが頻発 GC 時 間 の 約 85% が ス キ ャ ン ル ープ、 CPU サ イクル の 35%以上がメモリストール（Design Document） NUMAなどメモリトポロジを考慮していないため、遠 いメモリへのアクセスで遅延が発生
30. 現状のGCの思想 「プロセッサ中心」の思想 メモリアクセスの効率性を犠牲にしてでも、全てのCPU コアを最大限活用することを最優先 現在のハードウェアの進化によりミスマッチが生じるよ うになった
31. 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）
32. ハードウェアトレンドとのミスマッチ
33. 時代のハードウェアに最適化されていない？
35. GreenTeaGCのアプローチ 🍵 "Work with pages, not objects." オブジェクト単位ではなくpage単位でスキャンする
36. どんな動きになるか公式ブログを使って 説明します
37. Green Tea GC 🍵 - ページベーススキャニング ❌ 従来のGC （オブジェクトベース） Page A ① ④ Page B ⑤ Page C ② ⑥ Page D ③ Page E Page F ⑦ Page G ⑧ Page H ❌ 問題点： • オブジェクトを ランダムにアクセス • メモリ全体を飛び回る（①→②→③... 異なるPage間） • キャッシュミスが頻発（35%のCPU サイクルを浪費） • 同じPageに何度も戻るが既にキャッシュから追い出されている • GCのCPU 時間の 大部分がキャッシュ待ちで浪費 🍵 Green Tea GC （ページベース） Page A ✓ 1 2 1 Page B ⏳ 3 4 5 2 Page C 6 7 3 Page D 8 4 Page E Page F 9 Page G 10 Page H ✅ 改善点： • Page単位で連続してスキャン（ 局所性を最大化） • メモリ局所性が高い（8KiB 境界でアライメント） • GCオーバーヘッド10 40% 削減（GC多用プログラム） • バッチ効果: Page内の複数オブジェクトをまとめて処理 • 新しいamd64 CPU （Ice Lake/Zen 4 でさらに約10% 改善 白（未探索） 灰（探索中） 黒（完了） スキャン済みPage 処理中Page ランダムアクセス N スキャン順序
38. 従来のオブジェクトベーススキャン メモリを縦横無尽に飛び回り、スキャンを繰り返す 特に、ページ間やページ内の異なる部分間を頻繁に移動する CPUキャッシュには、最近アクセスされたメモリと、それに近いメモ リが格納される。しかし、互いを指す2つのオブジェクトが、メモリ 内でも互いに近い位置にあるという保証はない オブジェクトベースでのスキャンではこの点が考慮されていない
39. GreenTeaGCのアプローチ 🍵
40. 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pageを処理単位とする 従来はオブジェクトを発見後すぐスキャンしていた Green Tea GC で は 参 照 先 の オ ブ ジ ェ ク ト を 見 つ け ても pageにマークビットを立てるだけ そのpageを処理する順番が来たら、page内のマーク済み オブジェクトをまとめて連続的にスキャンする
41. 何が良くなるのか？
42. 何が良くなるのか キャッシュ効率の向上 pageがL1キャッシュに丸ごと収まる page 内 の オ ブ ジ ェ ク ト を 連 続 ス キ ャ ン す る た め 、 一 度CPUキャッシュに載せたデータを再利用できる 従来のようなDRAMを飛び回るアクセスが不要になる スキャン回数の削減 即時スキャンに比べて、同じpageへの再訪問がなくな りスキャンのオーバーヘッド自体が減る
43. 何が良くなるのか マルチコア環境でのスケーラビリティ ワーカーごとにスパ ン単位のローカルキューを持つ 暇 な ワ ー カ ー が 他 の ワ ー カ ー か ら ス パ ン を 奪 う （work stealing） グローバルキューへのロック競合が減り、コア数に応 じてスケールする ベクトル命令（AVX-512）による追加高速化 スパ ン内のオブジェクトは同一サイズで規則的に並ぶ た め 、 SIMD 命 令 で ビ ッ ト マ ッ プ 操 作 を ま と め て 処 理 できる
44. 何が良くなるのか キャッシュ効率：page単位の連続スキャンでCPUキャッシュを最大活用 スキャン回数 ：pageへの再訪問を排除しオーバーヘッド削減 並列処理 ：ローカルキュー + work stealingでマルチコアにスケール ベクトル命令による追加高速化 ：同一サイズの規則配置を活かす
45. GreenTea GC Go1.26でデフォルト化 https://go.dev/doc/go1.26#new-garbage-collector GCを多用する実アプリケーションにおいて、オーバーヘッド が10～40%程度削減見込み 新しいamd64ベースのCPUプラットフォーム(Intel Ice Lake or AMD Zen 4 and newer) で は 、 GC の オ ーバ ー ヘ ッ ド が さ らに10%改善見込み GOEXPERIMENT=nogreenteagcで無効化 この設定もGo1.27で削除予定
46. まとめ
47. 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 Green Tea GC メモリアクセスの最適化を目指し、オブジェクト単位 ではなくpage単位でスキャンする
48. 余談
49. 参考文献 https://github.com/golang/go/issues/73581 https://antonz.org/go-1-26/ https://go.dev/blog/greenteagc 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/
50. 参考文献2 https://siddharthav.medium.com/green-tea-garbage- collector-63233aa5a9b5 https://speakerdeck.com/zchee/the-current-status- of-green-tea-gc
51. ご静聴いただきありがとうございました T H A N K Y O U