講座とは？
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J2EEがミッションクリティカルな分野に適用されるようになり、Javaのパフォーマンスチューニングの重要性はさらに高まっています。パフォーマンスチューニングにはさまざまなパラメータがありますが、中でもJava VMに関連するチューニングの効果は大きいといわれています。本稿は、Java VMに関連するチューニング手法を学ぶための前提知識を提供することを目的にしています。（編集局） Java VMに関連するチューニングを行い、J2EEアプリケーションのパフォーマンスを上げるためには、Java VMについて詳しく知る必要があります。本稿は2回に渡ってJava VMの基本構造と動作原理を詳細に解説しますが、内容を理解するためにはプログラムがコンピュータ上で動作する基本原理とJava VMの基本用語を知っている必要があります。Java VMの基本用語に関しては、「実行スピードに挑戦するJavaアーキテクチャの変遷をたどる」（Java Insiderフォーラム内の関連記事を参考にしてください。本連載の終了後には、Java VMに関連するチューニングテクニックを解説する「Java VMが存在する環境であればその下のOSやハードウェアが何であろうと、同じ動作をします。これはJava VMがその下位にあるOSやハードウェアの違いを吸収し、その上位にあるJavaプログラムと共通のインターフェイスを提供していることで実現されています。つまり、どんな環境の下でも、Javaプログラムから見ればJava Java言語で書かれたソースコードファイルをJavaコンパイラ（javac）でコンパイルすると、Javaバイトコードを含むクラスファイル（.class）が生成されます（図2参照）。Javaコンパイラは、サン・マイクロシステムズのJDK付属のもの以外にも、Java開発環境を販売するサードパーティーのソフトウェアベンダなどからも提供されています。 JavaコンパイラによるJavaソースコードのコンパイルと、C/C++コンパイラによるC/C++ソースコードのコンパイルの対比を図3に示します。これを見ると、Javaが当初インタプリタ方式といわれたとはいえ、開発言語としてはPerlなどよりはC/C++に近いものであることが分かります。ただし、C/C++などの言語で作成したソースコードはOSに依存しますし、C/C++コンパイラは特定のプロセッサ専用のコードを生成します。結果として、C/C++コンパイラで生成した実行ファイルはハードウェア（プロセッサ）とソフトウェア（オペレーティングシステム）の両方に依存することになります。それに対してJavaは、特定のハードウェアやソフトウェアへの依存しないコードを生成します。 Javaクラスファイルの中にはそのクラスで定義されているメソッド、フィールド変数、定数などの情報が書かれており、メソッド中にはバイトコードが書き込まれています（図2参照）。バイトコードはその名のとおりオペコードが1バイト固定長で、オペランドは可変長です。 ところで、図4に示すように、Java VM上で実行されるバイトコードは、実プロセッサ上で実行されるマシンコードに対応するものと考えることができます。すなわち、バイトコードにとってJava VMは実プロセッサに該当するものであることから、仮想の実プロセッサという意味でJava仮想マシン（Java Virtual Machine）と呼ばれるわけです。 Java VMはソフトウェアで実装されるため、さまざまなプラットフォームへの移植が可能であり、その結果、Javaバイトコード（つまりJavaプログラム）をさまざまなハードウェア／ソフトウェアプラットフォームで実行させることができます。 図4 マシンコードとバイトコードの関係は実プロセッサとJava VMの関係に対比できる Java VMの実装はサン・マイクロシステムズが提供しています。しかし、サン・マイクロシステムズからソースコードライセンスを受けなくても、Java仮想マシン仕様（Java 例えば、IBMのJava VMやBEAのJRockitは独自のJava VMの例です。また、HPのようにサン・マイクロシステムズからソースコードライセンスを受けている場合、プロセッサやOSに依存する部分の実装や、各種パラメータの設定は独自に行っていますが、それ以外の基本部分はサン・マイクロシステムズのコードをそのまま使っています。すなわち、HPのJava VMはサン・マイクロシステムズが提供するJava VMと同一のものということです。現在のJava VMはパフォーマンスを改善したHotSpot Java VMは特定のOSとハードウェア上に作られた仮想マシンであり、ソフトウェアにより実装されています。いい換えるとJava VMはJavaの実行環境を提供するソフトウェアエミュレータです。ほかのソフトウェアエミュレータの例としては、Itaniumマシン上のHP-UXでPA-RISC/HP-UXの実行環境を提供するAriesがあります。PA-RISC/HP-UXのアプリケーションをItanium/HP-UXシステム上で実行できるのは、Ariesのおかげです。 Java VM上で動作するJavaプログラムを1つのプロセスとして見ると、Java VMというプログラムが動作しながら、Javaプログラムが同じプロセス内で動作していることになります。Java VMの仮想メモリ上でのイメージは図5のようになります。Javaプログラムを動作させるにはJavaヒープとJava VMスタックが必要になります。Javaヒープにはクラスファイルを展開している領域とJavaクラスのインスタンスが置かれる領域があります。これに対し、Java VM自身もプログラムなので実行テキストに加えてCヒープとスタックを持ちます。命令ポインタもバイトコードの命令を指すものとネイティブコードを指すものが存在します。Javaプログラムを実行しているスレッドでは、プロセッサの命令ポインタは主にインタプリタ内かコードキャッシュ内を指しています。 図5の構造を理解しておけばJavaにおける問題発生時の対応に役立ちます。例えば「メモリ不足」という状況になった場合、Cヒープが足りない、Javaプログラムのヒープが足りない、スタックが足りない、OSのスワップが足りないなどさまざまな原因が考えられます。それぞれの領域の使用目的やこれらをどういったオプションやパラメータで設定できるか、また実際のJava クラスファイルはJava VMのクラスローダによりファイルからメモリへとロードされます。HotSpot VMでは、「-verbose:class」を付けて起動するとロードされたクラスを表示してくれます。図6に示すように、HotSpot VMではクラスの静的情報はJavaヒープのPermanent Generation領域に配置されます。静的情報には、メソッド定義（バイトコード）、フィールド定義、定数、および static 宣言されているフィールドの値などが含まれます。Javaにはクラスを動的にロードする機能があるため、Java VMの起動時以外でもクラスをロードすることができます。JSPはこの仕組みを利用しているため、JSPを動作させているJava Generation領域に置かれます。Javaヒープはどちらの領域もガベージコレクションの対象になります。Javaヒープ内部の詳細は次回のガベージコレクションの回で説明します。 Javaに限らず、一般に関数が1つ呼ばれるたびにスタック上にスタックフレームが1つ積まれます。このスタックフレームの中にはローカル変数と次に呼び出す関数に渡す引数の一部が置かれます。Javaにもスタックがあり、Javaバイトコードインタプリタが利用します。Java VMスタックのスタックフレーム内には、ローカル変数と引数に加えてオペランドスタックが置かれます。オペランドスタックは、Java VMがスタックマシンであるために必要なものです。下記のJavaバイトコードはオペランドスタックを利用した演算の例です。これは、0番目と1番目のローカル変数を、（このフレーム内の）オペランドスタック領域に積み、この2つの値を加算します。 HotSpot VMでは、Java VMスタックとネイティブコードのスタックは同じ領域に連続して存在します。つまりJavaプログラムのフレームとネイティブコードのフレームが1つのスタック内に混在することになります。リスト1はJavaプログラムを実行しているJavaスレッドのスタックトレースをHPのgdbで表示させたものです。 フレーム#14から#0に向かって順番に関数が呼び出されていることを示しています。スレッド生成後にいくつかの処理を行い、途中からJavaアプリケーションを実行しているのが分かります。ここで、#14から#8はJava #5のi2c_adapterは、インタプリタで実行されている関数からコンパイルされている関数を呼び出す際に呼ばれるアダプタ関数で、表示されてはいませんが、c2i_adapterはコンパイルされた関数からインタプリタで実行される関数を呼び出すアダプタ関数です。これらアダプタは主に呼び出す関数の引数の順番を変更します。#6も#5と同様、#4を呼び出すためのスタブ的な役割をします。 #4はcompiled frameと表示されており、JavaのMyLoopクラスのmethod1()メソッドとmethod2()メソッドのコンパイルされたネイティブコードが実行されています。2つのメソッドが1つのフレームに表示されているのはmethod2()がmethod1()にインライン展開されていることを示しています。#3も同様にコンパイルされたメソッドのフレームです。 #2はネイティブメソッドを呼び出すためのスタブで、#1と#0ではネイティブメソッドを実行しています。 VMでは、1つのJavaスレッドはそのJava VMの下で動作するOSのスレッドに対応します（native_thread）。UNIXであれば、Javaプログラム実行中にSIGQUITを送って、Windowsであればターミナル上でctrl-breakキーによりスレッドのダンプを表示させることができます。 スタックはスレッドごとに存在します。これらのスレッドは2つのグループに分けることができます。1つはJavaスレッドで、もう1つはJavaシステムスレッドです（図8参照）。JavaスレッドはJavaのアプリケーションを実行しているスレッドですが、JavaシステムスレッドはJavaの実行環境を提供します。インタプリタで実行した関数のスタックフレームのみは、ネイティブコード用に決められているコーリングコンベンション（関数呼び出し規則）と異なるフレームフォーマットになります。リスト1で示したJavaスレッドのスタックトレース例は、図8のstack1に当たります。Javaスレッドのスタックのサイズは、-Xssオプションで指定することができます。このサイズを超えてスタックを伸ばすとJavaの 肥え続けるTomcatと胃を痛めるトラブルハッカー （2007/11/27） ある企業システム内で1カ月もメモリリークし続けてTomcatのヒープサイズがとんでもないことに！ その解決策とは？ Tomcatをツールで運用し、設定の基礎を知る （2007/11/20）運用と設定といってもどこをどうすればいいのやら……？ とお悩みの方は本稿を読んでTomcatを自由自在に操ってみましょう バッチ処理はJavaでバッチリ？その現状とこれから （2007/11/14） 基幹システムで多く見られるバッチ処理はJavaでどこまで適用できるのか。Spring Batchを筆頭に数々の製品やオープンソースも紹介しよう JavaScriptを書かずにAjaxを実現するjMaki （2007/11/7）jMakiを知ってますか？ タグを書くだけでAjaxが実現できる便利なライブラリです。今回はそのjMakiをさらに便利に使うプラグインを紹介します 技術者としての力量を数値で把握していますか？ITSSレベルを無料で判定、12月25日（火）まで ホワイトペーパー利用者に「Amazonギフト券」を抽選で100名様にプレゼント！――TechTargetジャパン リニューアル・キャンペーン Solutionフォーラム トップ｜会議室｜利用規約｜プライバシーポリシー｜サイトマップ |
[ 71] ＠IT：チューニングのためのJavaVM講座（前編）
[引用サイト] http://www.atmarkit.co.jp/fjava/rensai3/javavm01/javavm01_1.html
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