はじめに：この記事のきっかけ
この記事は、機能追加に伴う性能試験がきっかけで執筆しました。
CPU負荷が高い原因を探る中で「GCが関係しているのでは？」と仮説を立て、jstatコマンドで取得したログを分析しました。観測対象は以下の3点です。
- Young GC の周期
- Old 領域の使用推移
- GC 累積時間（GCT）
「GCは何となく知っているけれど、ログの見方までは詳しくない」という方も多いと思います。そこで、自分の復習も兼ねて整理しました。
前提は Java 21、対象GCは G1GC と ZGC に絞ります。記事は3部構成です。
- 前編（本記事）：考え方と全体像
- 中編：jstatの使い方とログの読み方
- 後編：実践レシピとトラブルシュート
GCの基本的な考え方
GCはなぜ必要か
Javaでは、C/C++のようにメモリを手動で解放する必要はありません。
不要になった（到達不能になった）オブジェクトは、ランタイムが自動的に回収します。
- 利点: 解放忘れ・二重解放・Use-After-Free など典型的なメモリバグを回避できる
- トレードオフ: 回収にはコスト（停止時間・CPU・メモリ余裕）がかかる
- 結論: 改修にはコストがかかるため「観測 → 最適化」が不可欠
ユースケースによって最適なGCは異なります。
- 低レイテンシ重視（p95/p99 レイテンシ） → ZGC
- スループット・予測可能な停止時間のバランス → G1GC
GCが起きるタイミング（Java21/G1・ZGC）
GCは「いつ走るのか」を押さえることが重要です。ここでは代表的なイベントを整理します。
※G1：ヒープ領域を細かく分割し、アプリケーションの実行と並行してGC処理を行うことで、停止時間を短縮する仕組み
※ZGC：アプリケーションスレッドの実行を停止させることなく、すべてのGC作業を並行して実行する仕組み
- Young/Minor GC（共通）: 新規割当先（Eden）が埋まってもう割り当てられないと判断された瞬間に発生。スレッドは TLAB を使い切ると Eden から補充する。
- 並行マークの開始（G1）: Old使用率と割当速度（アロケーションレート）から、このままだと逼迫しそうと判断（IHOP）。開始直後/終了時に短いSTW（Initial Mark/Remark）が発生。
- Mixed GC（G1）: 並行マーク完了後、Young回収にOldの一部を混ぜて回収してフルGCを回避。
- Full GC: 退避失敗（Evacuation Failure）、断片化、Metaspace 逼迫、
System.gc()呼び出し等で発生（避けたい最終手段）。 - Metaspace圧迫: クラスロード過多で拡張が難しくなり、Full/OOMに波及し得る。
- ZGCの補足: Mark/Relocate など多くが並行で、STWは極小。その代わりCPUとメモリの余裕が必要。
JVMヒープとGCの基本
ヒープ構成の簡易図
GCを理解するには、ヒープ構成を押さえることが近道です。
+------------------------------- JVM Heap -------------------------------+
| Young 世代 |
| [TLAB] -> Eden --> Survivor S0 <-> Survivor S1 (ageを重ねる) |
+------------------------------------------------------------------------+
| Old 世代 |
| (長生きオブジェクト。Mixed GCで段階的に回収) |
+------------------------------------------------------------------------+
| Metaspace / CCS（オフヒープ） |
+------------------------------------------------------------------------+
オブジェクトの一生:
new -> TLAB -> Eden -> Survivor -> Survivor -> ... -> Old- Young世代: Eden（新規割当）と Survivor(S0/S1)（退避先）。
- Old世代: 長期間使われるオブジェクトが移動する場所。
- Metaspace/CCS: クラスメタ情報（オフヒープ）。
- Stop-The-World (STW): 一部フェーズでアプリを停止。長さ×頻度がレイテンシに直結。
- TLAB: スレッド私有の割当バッファ。使い切るとEdenから補充。
Java 21で使うGCと使いどころ（絞り込み）
| GC名 | 特徴 | 向き/注意 | 主なオプション |
|---|---|---|---|
| G1GC（既定） | リージョン分割・並行。ポーズ目標指定で予測しやすい | 一般的なWeb/API用途で選択 | -XX:+UseG1GC, -XX:MaxGCPauseMillis=200 |
| ZGC | 低ポーズ（数ms〜）。大規模ヒープでも安定 | p99レイテンシ最重視、余裕あるメモリ環境 | -XX:+UseZGC（Java 21は世代別ZGC） |
| Parallel | スループット重視（停止は長め） | バッチ/ツール、レイテンシ要求が緩い | -XX:+UseParallelGC |
まとめ（前編）
- GCはオブジェクトの自動解放の仕組み。ただしコストがかかるので観測→最適化する必要がある。
- Young/並行マーク/Mixed/Full/Metaspaceなどの発火条件を理解すると、jstatの数字がを解釈しやすくなる。
- 実務では、SLA（レイテンシ）/スループット/メモリを考慮し、G1/ZGCを調整する。
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