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Java コードから Java ヒープまで

アプリケーションのメモリー使用量を把握し、最適化する

Chris Bailey

Java Service Architect

IBM

スキルレベル: 中級

日付： 2012年 4月 12日

この記事では Java コードのメモリー使用量を把握できるように、int 値を Integer

オブジェクトに格納する場合のメモリー・オーバーヘッドから、オブジェクト委

譲のコスト、各種コレクションの各タイプのメモリー効率まで、さまざまな話題

を取り上げます。さらに、アプリケーションの非効率的な部分を判別する方法、

そして適切なコレクションを選択してコードを改善する方法についても説明しま

す。

アプリケーション・コードのメモリー使用量の最適化は目新しい話題ではありませ

んが、一般によく理解されているとも言えません。この記事では、Java プロセスの

メモリー使用量について簡単に説明した後、皆さんが作成する Java コードのメモ

リー使用量を詳しく探ります。そして最後に、HashMap や ArrayList などの Java コレク

ションを使用する領域において、アプリケーション・コードのメモリー使用効率を

高める方法を紹介します。

基礎知識: Java プロセスのメモリー使用量

ネイティブ・メモリーに関する詳しい説明

Java アプリケーションにおけるプロセスのメモリー使用量について十分

に理解するには、Andrew Hall 氏による developerWorks の記事「Thanks

for the memory (メモリーよ、ありがとう)」を読んでください。同記事は

Windows および Linux 用と、AIX 用の 2 本に分かれており、それぞれの OS

におけるメモリー・レイアウトと使用可能なユーザー空間について、さら

には Java ヒープとネイティブ・ヒープとの間でのやりとりについて解説し

ています。

Java アプリケーションを実行するために、コマンドラインで「java」と入力する

か、Java ベースのミドルウェアを起動すると、Java ランタイムがオペレーティン

グ・システム・プロセスを作成します。それはまるで、C で書かれたプログラムを

実行しているかのようです。実際、ほとんどの JVM は主に C あるいは C++ で書か

れています。オペレーティング・システム・プロセスとしての Java ランタイムに

は、メモリーに関して他のあらゆるプロセスと同じ制約が課せられます。その制約

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とは、アドレス指定可能なメモリー空間はアーキテクチャーによって決まり、ユー

ザー空間はオペレーティング・システムによって決まるというものです。

アーキテクチャーによって決まるアドレス指定可能なメモリー空間は、何ビット・

プロセッサーを使用しているかによっても変わってきます (例えば、32 ビット・

プロセッサーであるか 64 ビット・プロセッサーであるか、あるいは 31 ビットの

プロセッサー (メインフレームの場合) であるかに依存します)。プロセッサーがア

ドレス指定可能なメモリーの範囲は、プロセスで扱えるビット数によって決まり

ます。32 ビットを扱えるとしたら、アドレス指定可能な範囲は 2^32 です。これ

は、4,294,967,296 ビット、つまり 4GB に相当します。64 ビット・プロセッサー

でアドレス指定可能な範囲はこれよりも大幅に増えて、2^64 となります。つま

り、18,446,744,073,709,551,616、つまり 16 エクサバイトです。

プロセッサー・アーキテクチャーによって決まるアドレス指定可能なメモリー空間

は、その一部が OS によって OS 自体のカーネルや C ランタイム (C または C++ で書

かれた JVM の場合) のために使用されます。OS と C ランタイムによって使用される

メモリーの量は、どの OS を使用しているかによって変わってきますが、通常は相当

な量が使用されます。例えば、Windows がデフォルトで使用する量は 2GB です。残

りのアドレス指定可能な空間 (ユーザー空間と呼ばれます) が、実際に実行中のプロ

セスで使用できるメモリーということになります。

Java アプリケーションで言うと、ユーザー空間は Java プロセスが使用するメモリー

であり、実質的には Java ヒープとネイティブ (非 Java) ヒープという 2 つのプールで

構成されます。Java ヒープのサイズは JVM の Java ヒープ設定によって制御されま

す。この Java ヒープ設定には、Java ヒープの最小サイズを設定する -Xms と Java ヒー

プの最大サイズを設定する -Xmx があります。ネイティブ・ヒープは、Java ヒープが

最大サイズの設定で割り当てられた後の、残りのユーザー空間です。図 1 に一例と

して、32 ビット Java プロセスの場合のメモリー・レイアウトを示します。

図 1. 32 ビット Java プロセスでのメモリー・レイアウトの例

図 1 では、アドレス指定可能な 4GB のメモリー空間のうち、約 1GB を OS と C ラン

タイムが使用し、約 2GB を Java ヒープが、そしてその残りをネイティブ・ヒープが

使用しています。JVM 自体もメモリーを使用すること (OS カーネルと C ランタイム

と同じように使用します)、そして JVM が使用するメモリーはネイティブ・ヒープの

一部であることに注意してください。

Java オブジェクトの分析

Java コードで new 演算子を使用して Java オブジェクトのインスタンスを作成する場

合、そのインスタンスに割り当てられるデータの量は、おそらく皆さんの想像を遥

かに超えているでしょう。驚かれるかもしれませんが、例えば int 値と Integer オブ

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ジェクト (int 値を保持できる最小のオブジェクト) のサイズの比は、一般に 1:4 にも

なります。この増加分のオーバーヘッドは、JVM が Java オブジェクト (この例では

Integer) を表すために使用するメタデータです。

オブジェクトのメタデータのサイズは、JVM のバージョンやベンダーによって異な

りますが、通常は以下のメタデータを合計したサイズとなります。

• クラス: オブジェクトの型を表すクラス情報を指すポイン

ター。java.lang.Integer オブジェクトの場合、これは java.lang.Integer クラスを

指すポインターです。

• フラグ: オブジェクトの状態を表すフラグを集めたもの。このなかには、メタ

データとしてオブジェクトのハッシュ・コードが含まれる場合にそのことを示

すフラグや、オブジェクトの「形式」を示すフラグ (オブジェクトが配列の形

式をしているかどうかを示すフラグ) も含まれます。

• ロック: オブジェクトの同期情報。つまりオブジェクトが現在同期されている

かどうかを示します。

オブジェクトのメタデータの後には、オブジェクト･インスタンスに保管されている

フィールドからなるオブジェクト・データの本体が続きます。java.lang.Integer オブ

ジェクトの場合、オブジェクト・データは int が 1 つのみです。

したがって、32 ビット JVM を実行している場合に java.lang.Integer オブジェクトの

インスタンスを作成すると、オブジェクトのレイアウトは図 2 のようになります。

図 2. 32 ビット Java プロセスでの java.lang.Integer オブジェクトのレイアウト例

図 2 に示されているように、int 値の 32 ビットのデータを格納するために、128

ビットのデータが使用されます。128 ビットのうち、32 ビット以外はすべてオブ

ジェクトのメタデータが使用しています。

Java 配列オブジェクトの分析

int 値の配列をはじめとする配列オブジェクトは、標準的な Java オブジェクトと似た

ような形式と構造を持ちますが、最も違う点は、配列オブジェクトには配列のサイ

ズを示すメタデータが追加されることです。配列オブジェクトは以下のメタデータ

で構成されます。

• クラス: オブジェクトの型を表すクラス情報を指すポインター。int フィールド

の配列の場合、これは int[] クラスを指すポインターです。

• フラグ: オブジェクトの状態を表すフラグを集めたもの。このなかには、メタ

データとしてオブジェクトのハッシュ・コードが含まれる場合にそのことを示

すフラグや、オブジェクトの形式を示すフラグ (オブジェクトが配列の形式を

しているかどうかを示すフラグ) も含まれます。

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Java コードから Java ヒープまでページ 4 / 22

• ロック: オブジェクトの同期情報。つまりオブジェクトが現在同期されている

かどうかを示します。

• サイズ: 配列のサイズ。

図 3 に一例として、int 配列オブジェクトのレイアウトを示します。

図 3. 32 ビット Java プロセスでの int 配列オブジェクトのレイアウト例

図 3 では、int 値の 32 ビットのデータを格納するために、160 ビットのデータが

使用されています。160 ビットのうち、32 ビット以外はすべて配列のメタデータ

が使用しています。byte、int、long などのプリミティブ型の場合、エントリーが

1 つのみの配列は、これらに対応する単一フィールドのラッパー・オブジェクト

(Byte、Integer、または Long) よりも、メモリーの点でコストがかかります。

さらに複雑なデータ構造の分析

優れたオブジェクト指向の設計およびプログラミングでは、カプセル化 (データへの

アクセスを制御するインターフェース・クラスを提供すること) と委譲 (ヘルパー・

オブジェクトを使用してタスクを実行すること) を用いることを推奨しています。

カプセル化と委譲によって、ほとんどのデータ構造の表現には複数のオブジェク

トが関与することになります。その単純な一例は、java.lang.String オブジェクトで

す。java.lang.String オブジェクトには文字型の配列がデータとして格納され、この

文字型配列に対する読み書きと管理を行う java.lang.String オブジェクトによってカ

プセル化されます。java.lang.String オブジェクトのレイアウトは、32 ビット Java プ

ロセスでは図 4 のようになります。

図 4. 32 ビット Java プロセスでの java.lang.String オブジェクトのレイアウト例

図 4 に示されているように、java.lang.String オブジェクトにはオブジェクトの標準

的なメタデータに加え、文字列データを管理するためのフィールドが含まれていま

す。これらのフィールドは通常、ハッシュ値、文字列のサイズのカウント、文字列

データへのオフセット、文字の配列自体へのオブジェクト参照です。

つまり、8 文字の文字列 (char データによる 128 ビット) の場合、文字配列に 256

ビットのデータが使用され、その配列を管理する java.lang.String オブジェクト

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に 224 ビットのデータが使用されるため、128 ビット (16 バイト) のデータを表現

するには合計 480 ビット (60 バイト) が必要になります。このオーバーヘッド比

は、3.75:1 です。

一般に、データ構造が複雑になるにつれ、オーバーヘッドは大きくなっていきま

す。このことに関しては、次のセクションでさらに詳しく検討します。

32 ビットおよび 64 ビットの Java オブジェクト

これまでの例で取り上げたオブジェクトでのサイズとオーバーヘッドは、32 ビッ

ト Java プロセスに適用されるものです。「基礎知識: Java プロセスのメモリー使用

量」セクションで説明したように、64 ビット・プロセッサーの場合、32 ビット・

プロセッサーよりもアドレス指定可能なメモリー空間は遥かに大きくなります。64

ビット・プロセスでは、Java オブジェクトに含まれる一部のデータ・フィールドの

サイズ (具体的には、オブジェクトのメタデータと、別のオブジェクトを参照する

フィールド) も 64 ビットまで増やす必要があります。それ以外のデータ・フィール

ドの型 (int、byte、long など) については、サイズは変わりません。図 5 に、64 ビッ

トの Integer オブジェクトおよび int 配列のレイアウトを示します。

図 5. 64 ビット Java プロセスでの java.lang.Integer オブジェクトおよび int 配列オブ

ジェクトのレイアウト例

図 5 に示されている 64 ビットの Integer オブジェクトの場合、int フィールド用の

32 ビットを格納するために使用されるデータは 224 ビットです (オーバーヘッド比

7:1)。64 ビットの単一要素からなる int 配列では、32 ビットの int エントリーを格

納するために 288 ビットのデータが使用されます (オーバーヘッド比 9:1)。この影響

は、実際のアプリケーションでは、今まで 32 ビット Java ランタイムで実行されてい

たアプリケーションを 64 ビット Java ランタイムに移した場合、アプリケーションの

Java ヒープ・メモリー使用量が劇的に増加するという形で現れます。増加率は一般

に、元のヒープ･サイズの約 70 パーセントです。例えば、32 ビット Java ランタイム

で 1GB の Java ヒープを使用する Java アプリケーションは、64 ビット Java ランタイ

ムでは 1.7GB の Java ヒープを使用することになります。

このメモリー使用量の増加は、Java ヒープに限られた話ではありません。ネイティ

ブ・ヒープ・メモリー領域の使用量も同じく増加します。その増加率は、場合に

よっては 90 パーセントにも及びます。

表 1 に、アプリケーションが 32 ビット・モードで実行される場合と、64 ビット・

モードで実行される場合の、それぞれのオブジェクトと配列のフィールド・サイズ

を記載します。

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