【JVM】ランタイムデータ領域

説明する

Java プログラムの実行中、Java 仮想マシンは管理するメモリをいくつかの異なるデータ領域に分割します。これらの領域にはそれぞれ目的や作成・破棄のタイミングがあり、仮想マシンのプロセス開始とともに常に存在する領域もあれば、ユーザースレッドの開始と終了に応じて作成・破棄される領域もあります。以下の図に示すように、この記事では各領域の機能を簡単に紹介します。

プログラムカウンター

プログラム カウンタ (略して PC) は、Java 仮想マシン (JVM) 内のメモリ領域であり、スレッドの切り替えの影響を受けない小さなメモリ空間です。各スレッドには独自の独立したプログラム カウンタがあり、現在のスレッドによって実行されるバイトコード命令のアドレスを格納するために使用されます。

JVM では、プログラム カウンターには次の主な機能があります。

1. スレッド制御: プログラムカウンタは各スレッドが実行する命令のアドレスを示します。JVM は、スレッドが切り替わったときに正しい実行時点に回復できます。
2. バイトコードインタープリタ: Java では、コードはバイトコード (バイトコード) にコンパイルされます。プログラム カウンタは、バイトコード インタプリタが命令を 1 つずつ実行できるように、現在実行中のバイトコード命令を追跡するために使用されます。
3. 例外処理: Java プログラムが例外をスローすると、JVM は例外処理テーブルに基づいて例外処理コードの場所を決定します。ここではプログラム カウンターが重要な役割を果たし、JVM がビット処理コードがどこにあるかを正確に認識するのに役立ちます。
4. Thread-private : 各スレッドには独自の独立したプログラム カウンタがあります。これにより、スレッドは他のスレッドの影響を受けることなく独立して実行できるようになります。

簡単に言えば、プログラム カウンタは次に実行される命令のアドレスであり、各スレッドがこれを持ち、スレッドはプライベートです。

仮想マシンスタック

仮想マシン スタック (仮想マシン スタック) は、Java 仮想マシン (JVM) がスレッドごとにプライベートに作成するメモリ領域で、ローカル変数、オペランド スタック、ダイナミック リンク、メソッド実行時のメソッド出口などの情報を格納するために使用されます。 。各メソッドはスタック フレーム (Stack Frame) を作成し、実行時にスタック上に置きますが、メソッドの実行後にスタック フレームがスタックからポップアウトされます。スタック フレームには、メソッドのローカル変数、オペランド スタック、リターン アドレスなどの情報が含まれます。

仮想マシン スタックには次の主な特徴があります。

1. スレッド プライベート: 各スレッドには独自の独立した仮想マシン スタックがあり、マルチスレッド環境でのメソッドの実行ステータスが相互に干渉しないことが保証されます。
2. メソッド呼び出し: 仮想マシン スタックは、メソッド呼び出しの状態を保存するために使用されます。メソッドが呼び出されるたびに、仮想マシン スタック上にスタック フレームが作成され、スタック フレームにはメソッドのローカル変数やオペランド スタックなどの情報が含まれます。
3. ローカル変数とオペランドスタック: スタックフレームにはローカル変数テーブルとオペランドスタックが含まれます。ローカル変数テーブルはメソッド内のローカル変数を格納するために使用され、オペランド スタックはオペコード (バイトコード命令) を実行する際の一時的な格納に使用されます。
4. 例外処理: 仮想マシン スタックも例外処理メカニズムに参加します。メソッド内で例外が発生したがキャッチされなかった場合、仮想マシンは仮想マシン スタックを検索して例外が発生した場所を特定し、例外処理を容易にします。

なお、仮想マシンスタックのサイズは設定可能であり、スタック空間でスタックオーバーフロー（Stack Overflow）例外が発生する可能性があります。スタック オーバーフローは、通常、深すぎる再帰呼び出し、またはローカル変数テーブルとオペランド スタックによって占有されるスペースが大きすぎることが原因で発生します。

簡単に言うと、各メソッドはスタック フレームに対応し、メソッドの呼び出しと実行はスタック フレームのポップとスタッキングの操作を表し、メソッドに必要な情報の一部がスタック フレームに格納されます。

ネイティブメソッドスタック

ネイティブメソッドスタック(Native Method Stack)は、仮想マシンスタックと同様のものであり、ネイティブメソッド(Native Method)を実行するためにJava仮想マシンが用意するメモリ領域である。ネイティブ メソッドとは、Java 以外の言語 (通常は C、C++ など) で記述されたメソッドを指し、これらのメソッドは Java のネイティブ インターフェイス (JNI、Java Native Interface) を通じて Java プログラムで呼び出すことができます。

ネイティブ メソッド スタックは、Java プログラムと非 Java ネイティブ メソッド間の対話をサポートするために存在するメモリ領域であり、仮想マシン スタックに似ていますが、ネイティブ メソッドの呼び出しと実行に使用されます。

Javaヒープ

Java プログラムを作成する場合、すべてのオブジェクト インスタンス (クラス インスタンス、配列など) をメモリに保存する必要があります。Java ヒープは、これらのオブジェクトが保存される場所です。これは、すべてのスレッドによって共有される非常に大きなメモリ領域です。

重要なポイントは次のとおりです。

1. オブジェクトストレージnew:キーワードを使用してオブジェクトが作成されるたびに、オブジェクトは Java ヒープに割り当てられます。独自に定義したクラスであっても、Javaの組み込みクラスであっても、メモリはヒープ上に確保されます。

2. ガベージ コレクション: Java ヒープはガベージ コレクターによって管理されます。オブジェクトがプログラムによって参照されなくなった場合、つまりオブジェクトを指す変数がなくなった場合、ガベージ コレクターは、将来のオブジェクトにスペースを割り当てるために、オブジェクトによって占有されていたメモリを再利用します。

3. 世代構造: Java ヒープは通常、新世代と旧世代など、異なる「世代」に分割されます。新しく作成されたオブジェクトは若い世代に割り当てられ、より長く存続したオブジェクトは古い世代に移動されます。この世代構造は、ガベージ コレクションの効率の向上に役立ちます。

4. メモリ設定: コマンドラインパラメータを通じて Java ヒープの初期サイズと最大サイズを設定できます。これは、プログラムのメモリ使用量を最適化するのに役立ちます。

5. メモリ オーバーフロー: プログラムが作成するオブジェクトが多すぎてヒープの利用可能な領域を超えると、メモリ オーバーフロー エラーが発生し、プログラムがクラッシュします。

つまり、Java ヒープは Java プログラム内のオブジェクトを格納するために使用されるメモリ領域であり、ガベージ コレクターはプログラムの正常な実行を維持するためにオブジェクトの割り当てと解放を管理します。

メソッド領域

メソッド領域(Method Area)は、Java仮想マシン上のメモリ領域であり、クラスのメタデータ情報、静的変数、定数プール、メソッドコードなどを格納するために使用されます。これはすべてのスレッドで共有され、ヒープと同様に Java 仮想マシンの一部でもあります。

メソッド領域に関する重要なポイントをいくつか示します。

1. メタデータ情報: メソッド領域は主に、クラス名、アクセス修飾子、フィールド情報、メソッド情報など、クラスのメタデータ情報を保存するために使用されます。この情報は、クラスのロード、バイトコードの解析、メソッドの呼び出しなど、実行時に Java 仮想マシンによって使用されます。

2. 静的変数: 静的変数はクラス変数とも呼ばれ、メソッド領域に格納されます。これらの変数はクラスのロード中に作成および割り当てられ、クラスの存続期間中は一定のままです。

3. 定数プール: 定数プールはメソッド領域に格納されるデータ構造であり、コンパイル時に生成されるさまざまなリテラルやシンボル参照を格納するために使用されます。これには、文字列定数、クラスとインターフェイスの完全修飾名、フィールドとメソッドの名前と記述子などの情報が含まれます。

4. メソッドコード: メソッド領域には、クラスのメソッドコードも格納されます。これらのコードは、クラスが呼び出されたときに実行されます。メソッド領域に格納されたメソッド バイトコードは、インタプリタまたはジャストインタイム コンパイラ (HotSpot の C2 コンパイラなど) によって実行されます。

5. 実行時定数プール: Java 7 以前のバージョンでは、定数プールには実行時に生成されるいくつかの定数も含まれています。しかし、Java 8 以降、ランタイム定数プールは、ランタイム定数プールと呼ばれるヒープの一部に移動されました。

6. メモリ オーバーフロー: Java 7 以前のバージョンではメソッド領域が永続世代として実装されていたため、メソッド領域のメモリ オーバーフロー エラーは「永続世代のオーバーフロー」と呼ばれることがよくあります。クラスのロードとアンロードが続くと、メソッド領域のスペースも使い果たされ、プログラムがクラッシュします。

Java 8 以降、メソッド領域は Metaspace に置き換えられることに注意してください。メタスペースは仮想マシン メモリの代わりにローカル メモリを使用するため、柔軟性が高く、永続的な世代のオーバーフローなどの問題を回避できます。

つまり、メソッド領域とは、クラスのメタデータ、静的変数、定数プール、メソッドコードなどの情報を格納するメモリ領域であり、Java仮想マシンの重要な構成要素の1つです。

ランタイム定数プール

Java クラス ファイルがメモリにロードされると、クラス内の定数の実行時表現である実行時定数プール (実行時定数プール) が作成されます。実行時定数プールには、クラス ファイルのコンパイル時定数プールから抽出されたコンテンツの一部と、実行時に生成された定数が含まれています。

コンパイル時定数プールはクラス ファイル内にあり、文字列、数値、クラス名、メソッド名など、クラス内のさまざまな定数が含まれています。ランタイム定数プールは、プログラム実行中の定数の参照と操作をサポートするために、クラスがロードされるときに構築されます。

実行時定数プールには、コンパイル時定数プールの内容だけでなく、実行時に生成されるいくつかの定数も含まれます。たとえば、文字列のスプライシング、動的メソッド呼び出しなどの結果はすべて、ランタイム定数プールに反映できます。

Java 8 以降、定数プールはメタスペース (Metaspace) に移動され、以前の永続世代に置き換わることに注意してください。メタスペースはより柔軟性があり、固定サイズに制約されなくなりました。この場合、ランタイム定数プールはまだ存在しますが、定数プールとは異なる方法で管理されます。

つまり、実行時定数プールとは、コンパイル時定数プールの一部と実行時に生成される定数を含むクラスロード後に構築されるデータ構造であり、Javaプログラムの定数参照と操作をサポートします。

直接記憶

Java プログラムでメモリを使用する場合、通常は Java ヒープ メモリ、スタック メモリなどが関係します。ダイレクト メモリは、従来のメモリ管理方法とは異なるメモリ割り当て方法であり、主に I/O 操作のパフォーマンスと効率を向上させるために使用されます。ダイレクト メモリは、I/O 操作のパフォーマンスを向上させるために使用されるメモリ割り当て方法であり、Java NIO ライブラリで広く使用されています。これによりパフォーマンス上の利点が得られますが、潜在的なリスクを回避するために、開発者は割り当てと割り当て解除を自分で管理する必要があります。

従来の Java メモリ管理方法では、Java ヒープ メモリの割り当てと解放は、JVM のガベージ コレクション メカニズムによって管理されます。ただし、一部の特定のシナリオ、特に I/O 操作が関係する場合、従来のメモリ管理方法ではパフォーマンスの問題が発生する可能性があります。現時点では、ダイレクト メモリを媒体として使用して、Java プログラムとオペレーティング システムの間のブリッジとして機能し、パフォーマンスと効率を向上させることができます。

Java ヒープ メモリ割り当ての従来の方法には、次の手順が含まれます。

1. アプリケーションプログラムのJavaヒープメモリへのコピー：アプリケーションプログラムからJavaヒープメモリへデータを転送する場合、データのコピーが必要です。
2. Java ヒープ メモリのオペレーティング システムへのコピー: I/O 操作を実行するとき、データを Java ヒープ メモリからオペレーティング システムのカーネル バッファにコピーする必要があります。
3. オペレーティング システムから Java ヒープ メモリへのコピー: I/O 操作が完了したら、データをオペレーティング システムのカーネル バッファから Java ヒープ メモリにコピーして戻す必要があります。

ダイレクト メモリを使用する場合:

1. アプリケーションからダイレクトメモリコピーへ：アプリケーションからダイレクトメモリへデータを転送する場合、データのコピーは不要で、データはダイレクトメモリに直接格納されます。
2. ダイレクト メモリからオペレーティング システムへのコピー: I/O 操作を実行するときに、データをダイレクト メモリからオペレーティング システムのカーネル バッファに直接渡すことができ、データのコピーを回避できます。
3. オペレーティング システムからダイレクト メモリへのコピー: I/O 操作の完了後、データをオペレーティング システムのカーネル バッファからダイレクト メモリに直接渡すことができ、これによりデータのコピーも回避されます。

I/O 操作を実行するときは、データをダイレクト メモリからオペレーティング システムのカーネル バッファに直接渡すことができ、データのコピーを回避できます。
3.オペレーティング システムからダイレクト メモリへのコピー: I/O 操作の完了後、データをオペレーティング システムのカーネル バッファからダイレクト メモリに直接転送して戻すことができ、これによりデータのコピーも回避されます。

つまり、ダイレクト メモリを使用すると、メモリ間のデータのコピーが減り、I/O 操作のパフォーマンスが向上します。この方法は、ファイルの読み取りと書き込み、ネットワーク送信など、頻繁に大規模な I/O 操作を必要とするシナリオに特に適しています。ただし、ダイレクトメモリの管理は開発者の責任であり、適切に管理しないとメモリリークなどの問題が発生する可能性があるので注意が必要です。