情報

【東京】【初学者向け】JJUG ナイトセミナ「Javaのプログラムはどうやって動いているの?」
日時: 2015/04/24 19:00-21:00
会場: 日本オラクル株式会社
講師: 櫻庭祐一
- Web: http://www.javainthebox.com/
- 連載中: java技術最前線

概要

前半（JVM編）

JVMは実行時コンパイル（Just-in-Time Compile）
Java -> classファイル -> バイトコード
- バイトコードはjavapで確認可能
5つの手順: JVM起動, クラスロード, リンク, 初期化, main実行
- JVM起動: JNI_CreateJavaVM()
- クラスロード: 芋づる式に読み込む. "java verbose:class クラス名"で確認可能.
- staticフィールドの初期化, Javaコードの実行タイミングが異なるのは注意
JVM: Stack Machine
- スレッドの中でフレームのスタック, フレームのスタックの中でJavaStack
- スタックがあふれるとStackOverFlow

後半（GC編）

世代別GC（Mark&Sweep + Copyのいいとこどり）
- Mark&Sweep
- 利点: 実装がシンプル. 参照の書き換えがないため, 安全.
- 欠点: stop-the-worldの時間が長い. ヒープの断片化が起きやすい.
- Copy
- 利点: stop-the-worldの時間が短い. ヒープの断片化が起きない. 高速なアロケーション
- 欠点: ヒープの使用効率が悪い. 参照書き換えがある.
原理を知って, チューニングに活かす
- Old世代のGCをなるべく減らす

書籍

資料

前半（JVM編）

後半（GC編）

メモ

前半（JVM編）

はじめに

Classファイルからmainメソッドを実行するまでを紹介
このスライド（動画参照）はJavaFXで書いている
ごちそうフォト. 最近1位になりました（スイーツ王）

Virtual Machineとは

"Virtual Machine"といってもいくつか意味がある（今回は下記後者）
- ホストOSの上にゲストOSを乗せる
- プログラミング言語を解釈してコンピュータで実行するソフトフェア

VMを使うと嬉しいこと

Write Once, Run Anywhere
どこでも動く（windows, Mac, linux）
OSによらず実行できるので"仮想"バーチャルマシン

Java Virtual Machine

バイトコードを解釈して実行
基本はインタープリタ = 1行ずつ読み込んで実行
反対はコンパイル言語（C, C++）
JVMは実行時コンパイル（Just-in-Time Compile）
- 今日は実行コンパイルは触れない（難しいから）
- でもインタープリタ理解できれば理解できる.

Today's Sample

mainメソッドの中でadd関数. add関数は足し算するコード.

public class Test {
  private int add(int x, int y) {
    int z = x + y;
    return z;
  }
  public static void main(String... args) {
    Test test = new Test();
    int z = test.add(10, 20);
  }
}

Classファイル作成までの流れ

.java -> javacコンパイラ -> .class
.java
- クラス定義
- フィールド定義
- メソッド定義
.class
- クラス定義
- フィールド定義
- バイトコード　（メソッド定義はこれに変換される）
- 定数プール：文字列, リテラルがいっぱい入っている. 再利用できるように.
- 属性：その他雑多なものジェネリックスのパラメータなど

javap

バイトコードの逆アセンブル
javap -option クラス名（-p : privatメソッドも対象に. -c : バイトコード出力, -v バイトコード + 定数プール）
アセンブラみたいなコードが出てくる.
- バイトコード
- Java仮想マシン仕様という本に書いてある.
- wikipediaにも書かれているのでそっちを見てもいいかな.

mainを実行するまで

JVM起動
クラスロード
リンク
初期化
main実行

1.JVM起動

JNI_CreateJavaVM() // これが最初に実行されてJVMが起動される.

2.クラスロード

classファイルの読み込み
- 使用するクラスを芋づる式にロード
- さっきのサンプルでも200個くらいクラス使う
java -verbose:class Test
- 読み込むクラスを見ることができる.
- rt.jarから呼ばれる. 巨大だからjava9から分割され, 使わないのは呼ばないようになる.
クラスロードだけでは読み込んだだけなのでまだ使えない

3.リンク

classファイルが正しいかチェック
- 厳しくチェックしている
- 改ざんされていないか
- 悪意のあるコードがないか
staticフィールドの初期化
- ただしJavaコードの実行はしない
- final修飾子が付いていても最初はnullが入る
クラス間の関係を解決. 参照関係.

4.初期化

staticフィールドの初期化
- Javaのコードを実行する（参照関係が分かるので実行できるように）
staticイニシャライザの実行 java static { // static initializer }

5.main実行

mainメソッドの実行

クイズ

Java Puzzle: Anniversary（詳しくは資料or動画）
staticのところにも変な値が出るよ

バイトコードの実行

JVMはスタック
- stack: Last in, First out (LIFO)
一般に実行形態は大きく分けて2つ
- Stack Machine : 上から次々積み上げ　JavaVM, PostScript, .Net Framework CLR
- Register Machine : 配列みたいなもので事前準備　Intel Core, ARM Cortex

逆ポーランド記法

1 + 2 -> 1 2 +
(2 + 3) * 5 + (4 - 2) -> 23 + 5 * 42 - +
この書き方がだと括弧が出ない
ポーランド記法もある
- 1 + 2 -> + 1 2
計算方法（中間の状態をスタックとしてもつ）
*これをJVMでも同じことをやっている. *

図解（詳細は資料or動画参照）

図
- スレッド1, ... n, ... m
- heap：オブジェクト
- Metaspace(パーマネント領域）：クラスの情報, メソッドの情報
スレッごとにスタックがある.（JavaStack）
- PC : プログラムカウンタ
- フレームというものを積んでいく
- フレームはメソッド単位
- stack over flow : スタックを積み上げすぎた結果
フレームの中身もスタック
- オペランドスタック
- テーブルでローカル変数を持つ
逆ポーランド記法と同じことをやるのはオペランドスタック
コンパイルした時にローカル変数の領域サイズは決まる.
ローカルへ直接値を詰めるのはプリミティブ. オブジェクトは参照情報（heapを見に行く）
add関数を例にオペランドスタックを追いかける


private int add(int, int);
  descriptor: (II)I
  flags: ACC_PRIVATE
  Code:
    stack=2, locals=4, args_size=3
       0: iload_1
       1: iload_2
       2: iadd
       3: istore_3
       4: iload_3
       5: ireturn
    LineNumberTable:
      line 3: 0
      line 4: 4

load, store
iはintだから.
load_1, load_2(ローカル変数のインデックス)
自身も引数に取られる (0:this, 1: x:01, 2: y:20, 3: z: )

まとめ

マカロンスタック
- マカロンは積むもの.
Java -> classファイル -> バイトコード
5つの手順: JVM起動, クラスロード, リンク, 初期化, main実行
JVM: Stack Machine

後半（GC編）

Why to use GC

メモリの自動管理
不要になったメモリを自動的に回収
ヒープの中にオブジェクトを配置

Before GC

自前でメモリ管理
C言語 malloc(), calloc(), realloc(), free()
問題点　- メモリの解法忘れ　- 二重解放　- 無効な参照
- メモリ周りのBUGは修正が難しい

歴史

1959: John McCarthy Mark & Sweep GC（Lisp向け）
- 当時はとてつもなく遅かった.
- 一般的に使用されだされたのは90年代
- でもまだ遅い部分も.
2000年代から早くなってきて意識しなくても良いように.
- CPU, Memory性能向上

GCの種類

アルゴリズム

基本
- Mark&Sweep
- 参照カウント
- Copy
複合
- 世代別
- G1

運用

Serial
incremental
concurrent
parallel

Javaが提供していないもの : 参照カウントだけ. 他は全部入っている.

今回の説明 : 世代別（Mark&Sqeep + copy）
- いずれもserialで説明.

Mark & Sweep

heap上のオブジェクトに対して使っているものをマーク, マークしていないものを掃除.
- 使用中のオブジェクトをマーク（markフェーズ）
- マークの内オブジェクトを掃除（sweepフェーズ）
どうやってマークをするのか.
- はじめにRootがある. rootから参照を辿る.
- rootから芋づる式にマーク
- 先頭から未使用objをfree listへ
- 隙間を埋めてくれない. 大きいオブジェクトがきたらOOM.
Mark&SweepGCを少し拡張してCompactionを導入. メモリを詰めることで細分化を解消.
- Mark&SweepとCompactionを合わせて使うことが多い.
利点:
- 実装がシンプル.
- 参照の書き換えがないため, 安全（if not Compaction）
欠点:
- stop-the-worldの時間が長い
- stop-the-world : GCする際は処理を完全に止めなければならない
- ヒープの断片化が起きやすい. （if not Compaction)
どの言語でも一番初めにつくるのはMark&SweepGC

Copy

ヒープを二分割. 使用する領域は一方のみ.
片方からもう一方へobjをコピー. 使用する領域を反転.
- fromがいっぱいになってきたらfromから使っているのをマーク. toへコピー.
- fromとtoを入れ替える. （compactionと同じようなことができる）
MarkはするけどSweepはしない.
参照の移動がするのでやや難しい. （詳細は本にて）
利点:
- stop-the-worldの時間が短い.
- ヒープの断片化が起きない.
- 高速なアロケーション
欠点:
- ヒープの使用効率が悪い（2分割するので）
- 参照書き換えがある.

世代別GC

考え方: 若いobjほど早く死ぬ
世代別にヒープ管理を行う
- young世代：高速なGC（頻繁にGC） <- Copy
- old世代：安定したGC <- ** Mark&Sweep**
新しいアルゴリズムがあるわけではなく, 世代別に適用するアルゴリズムへ変えた.
objの年齢：GCを生き延びた回数

領域

young: Eden, Survivor1, Survivor2
- copyGCのfrom, to = Suvivor1, Suvivor2
old: Tenured

実際はoldの方が領域がyoungより10倍大きい

アルゴリズム

新しいobjはEdenへ配置.
edenがいっぱいになってきたら, マークしてedenからsuvivor1へ移動.
edenがいっぱいになってきたらマークして（eden, suvivor1も）, edenとsuvivor1をsuvivor2へ移動.
edenがいっぱいになってきたら...（eden, suvivor2）, edenとsuvivor2をsuvivor1へ移動.
閾値を越えたらtenuredへコピー.

世代別GC

Mark&Sweepとcopyのいいとこどり
領域サイズはチューニングが必要
- old世代のGCをなるべく減らす
CMS, G1GCなどの派生GCあり

まとめ

Mark&Sweep, Copy, 世代別
- アルゴリズム的には60年代からずっとこれ.
原理を知って, チューニングに活かす
- 設計の時の指針になる.
GCは腫物扱いされるかもしれないけどGCは友達！

所感

javap, java verbose:classとコマンドやオプションを知ることができた.
- これを使えば自分自身でも処理の流れを追うことができる. 意外と簡単.
static(static final)でも挙動がおかしく見えるようなことがある（仕様を知っていれば大丈夫）
Eden, Survivor, Tenured. 聞いたことはあるけど, 実際のフローは分からなったが, 今回でよく理解できた.

【レポート】Javaのプログラムはどうやって動いているの?

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概要

前半（JVM編）

後半（GC編）

書籍

資料

前半（JVM編）

後半（GC編）

メモ

前半（JVM編）

はじめに

Virtual Machineとは

VMを使うと嬉しいこと

Java Virtual Machine

Today's Sample

Classファイル作成までの流れ

javap

mainを実行するまで

1.JVM起動

2.クラスロード

3.リンク

4.初期化

5.main実行

クイズ

バイトコードの実行

逆ポーランド記法

図解（詳細は資料or動画参照）

まとめ

後半（GC編）

Why to use GC

Before GC

歴史

GCの種類

アルゴリズム

運用

Mark & Sweep

Copy

世代別GC

領域

アルゴリズム

世代別GC

まとめ

所感