JVM概要

はじめに

Java Virtual Machine（JVM）は、Javaバイトコードを実行するための仮想マシンです。「Write Once, Run Anywhere」の理念を実現し、プラットフォームに依存しないJavaプログラムの実行を可能にしています。

JVMアーキテクチャ

全体構成

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      Java Application                        │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                      Java Class Files (.class)               │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                              │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │              Class Loader Subsystem                   │   │
│  │  ┌────────────┐ ┌────────────┐ ┌────────────────┐   │   │
│  │  │ Bootstrap  │→│ Extension  │→│  Application   │   │   │
│  │  │   Loader   │ │   Loader   │ │    Loader      │   │   │
│  │  └────────────┘ └────────────┘ └────────────────┘   │   │
│  └──────────────────────────────────────────────────────┘   │
│                           ↓                                  │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │                Runtime Data Areas                     │   │
│  │  ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌──────────┐   │   │
│  │  │  Heap   │ │ Method  │ │  Stack  │ │    PC    │   │   │
│  │  │         │ │  Area   │ │         │ │ Register │   │   │
│  │  └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ └──────────┘   │   │
│  └──────────────────────────────────────────────────────┘   │
│                           ↓                                  │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │               Execution Engine                        │   │
│  │  ┌────────────┐ ┌────────────┐ ┌────────────────┐   │   │
│  │  │Interpreter │ │JIT Compiler│ │Garbage Collector│   │   │
│  │  └────────────┘ └────────────┘ └────────────────┘   │   │
│  └──────────────────────────────────────────────────────┘   │
│                                                              │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│              Native Method Interface (JNI)                   │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                  Operating System                            │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

主要コンポーネント

コンポーネント	役割
Class Loader Subsystem	クラスファイルのロード・リンク・初期化
Runtime Data Areas	プログラム実行に必要なメモリ領域
Execution Engine	バイトコードの解釈・実行・最適化
Native Method Interface	ネイティブコード（C/C++）との連携

JVMの実行モデル

バイトコードとは

Javaソースコード（.java）はコンパイルされてバイトコード（.class）になります。

// ソースコード: HelloWorld.java
public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, World!");
    }
}

# コンパイル
javac HelloWorld.java

# バイトコード確認
javap -c HelloWorld.class

Compiled from "HelloWorld.java"
public class HelloWorld {
  public HelloWorld();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1    // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: getstatic     #7    // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: ldc           #13   // String Hello, World!
       5: invokevirtual #15   // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       8: return
}

インタプリタとJITコンパイラ

JVMは2つの実行モードを組み合わせて効率的にコードを実行します。

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                   実行の流れ                            │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                          │
│  1. 初回実行：インタプリタ                               │
│     ┌─────────────┐      ┌─────────────┐                │
│     │ バイトコード │ ───→ │  即座に実行  │               │
│     └─────────────┘      └─────────────┘                │
│                              ↓                          │
│  2. 実行回数カウント                                     │
│     ┌─────────────────────────────────┐                 │
│     │ このメソッド、よく呼ばれるな...  │                │
│     │ (ホットスポット検出)             │                │
│     └─────────────────────────────────┘                 │
│                              ↓                          │
│  3. JITコンパイル                                        │
│     ┌─────────────┐      ┌─────────────┐                │
│     │ バイトコード │ ───→ │ネイティブコード│              │
│     └─────────────┘      └─────────────┘                │
│                              ↓                          │
│  4. 以降の実行                                          │
│     ┌─────────────────────────────────┐                 │
│     │ ネイティブコードで高速実行       │                │
│     └─────────────────────────────────┘                 │
│                                                          │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

JITコンパイラの階層

階層	コンパイラ	特徴
Level 0	インタプリタ	即座に実行、プロファイル情報収集
Level 1-3	C1 (Client Compiler)	高速コンパイル、軽度の最適化
Level 4	C2 (Server Compiler)	低速コンパイル、積極的な最適化

JDKディストリビューション

主要なディストリビューション

ディストリビューション	提供元	特徴	ライセンス
Oracle JDK	Oracle	商用機能含む、有償サポート	Oracle NFTC
Eclipse Temurin	Eclipse Foundation	OpenJDK準拠、広く採用	GPLv2+CE
Amazon Corretto	AWS	AWS最適化、長期サポート	GPLv2+CE
Azul Zulu	Azul Systems	幅広いプラットフォーム	GPLv2+CE
Oracle GraalVM	Oracle	高性能、多言語対応	GFTC/CE
Microsoft Build of OpenJDK	Microsoft	Azure最適化	GPLv2+CE

選択の指針

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                  JDK選択フローチャート                   │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                          │
│  AWS環境で運用？                                         │
│    ├─ Yes → Amazon Corretto                             │
│    └─ No                                                │
│         │                                               │
│         ├─ Azure環境？                                  │
│         │   └─ Yes → Microsoft Build of OpenJDK        │
│         │                                               │
│         ├─ Native Image必要？                           │
│         │   └─ Yes → GraalVM                           │
│         │                                               │
│         ├─ 商用サポート必要？                           │
│         │   └─ Yes → Oracle JDK or Azul Zulu           │
│         │                                               │
│         └─ 一般的な開発・運用                           │
│             └─ Eclipse Temurin（推奨）                  │
│                                                          │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

JVMオプション

カテゴリ

JVMオプションは3つのカテゴリに分類されます。

プレフィックス	説明	例
`-`	標準オプション（全JVM共通）	`-version`, `-classpath`
`-X`	非標準オプション（実装依存）	`-Xms`, `-Xmx`
`-XX:`	開発者向け詳細オプション	`-XX:+UseG1GC`

よく使うオプション

# メモリ設定
java -Xms512m -Xmx2g -jar app.jar

# GC選択
java -XX:+UseG1GC -jar app.jar          # G1GC（デフォルト）
java -XX:+UseZGC -jar app.jar           # ZGC（低レイテンシ）
java -XX:+UseShenandoahGC -jar app.jar  # Shenandoah

# デバッグ・診断
java -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -jar app.jar
java -Xlog:gc*:file=gc.log -jar app.jar

# パフォーマンス
java -XX:+TieredCompilation -jar app.jar

本番環境向け推奨設定

java \
  # メモリ設定
  -Xms4g -Xmx4g \
  -XX:MaxMetaspaceSize=256m \

  # GC設定
  -XX:+UseG1GC \
  -XX:MaxGCPauseMillis=200 \

  # OOM時のダンプ
  -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError \
  -XX:HeapDumpPath=/var/log/app/heapdump.hprof \

  # GCログ
  -Xlog:gc*:file=/var/log/app/gc.log:time,uptime,level,tags:filecount=10,filesize=100m \

  # アプリケーション
  -jar app.jar

JDK/JRE/JVMの関係

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                        JDK                                   │
│  (Java Development Kit)                                      │
│                                                              │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │                      JRE                                │ │
│  │  (Java Runtime Environment)                             │ │
│  │                                                         │ │
│  │  ┌─────────────────────────────────────────────────┐   │ │
│  │  │                    JVM                           │   │ │
│  │  │  (Java Virtual Machine)                          │   │ │
│  │  │                                                  │   │ │
│  │  │  - Class Loader                                  │   │ │
│  │  │  - Runtime Data Areas                            │   │ │
│  │  │  - Execution Engine                              │   │ │
│  │  │  - Native Interface                              │   │ │
│  │  └─────────────────────────────────────────────────┘   │ │
│  │                                                         │ │
│  │  + クラスライブラリ (java.lang, java.util, etc.)      │ │
│  │  + デプロイメントツール                                │ │
│  └────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│                                                              │
│  + 開発ツール (javac, javadoc, jdb, etc.)                  │
│  + 診断ツール (jconsole, jvisualvm, jmap, etc.)            │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

Java 11以降の変化

Java 11以降、JREは単独配布されなくなりました。

# 必要なモジュールだけを含むカスタムランタイムを作成
jlink --module-path $JAVA_HOME/jmods \
      --add-modules java.base,java.logging \
      --output custom-runtime

# サイズ比較
du -sh $JAVA_HOME        # 約300MB（フルJDK）
du -sh custom-runtime    # 約40MB（カスタム）

診断ツール

JDK付属ツール

ツール	用途	使用例
`jps`	Javaプロセス一覧	`jps -lv`
`jinfo`	JVMオプション確認・変更	`jinfo <pid>`
`jstat`	GC・クラス統計	`jstat -gc <pid> 1000`
`jstack`	スレッドダンプ取得	`jstack <pid>`
`jmap`	ヒープダンプ取得	`jmap -dump:format=b,file=heap.hprof <pid>`
`jcmd`	診断コマンド実行	`jcmd <pid> VM.flags`

実践例

# 実行中のJavaプロセス確認
jps -lv

# GC状況をリアルタイム監視（1秒間隔）
jstat -gc <pid> 1000

# ヒープ使用状況
jmap -heap <pid>

# スレッドダンプ
jstack <pid> > threaddump.txt

# ヒープダンプ
jcmd <pid> GC.heap_dump /tmp/heap.hprof

まとめ

項目	ポイント
JVMとは	Javaバイトコードを実行する仮想マシン
実行モデル	インタプリタ + JITコンパイラのハイブリッド
JDK選択	一般的にはEclipse Temurin、AWS環境ではCorretto
オプション	`-X`（非標準）、`-XX:`（詳細）で細かく制御可能
診断ツール	jps, jstat, jstack, jmap, jcmd で問題調査

次のステップ

クラスローディング - クラスがどのようにロードされるか
メモリ管理 - JVMのメモリ構造を深く理解

はじめに​

JVMアーキテクチャ​

全体構成​

主要コンポーネント​

JVMの実行モデル​

バイトコードとは​

インタプリタとJITコンパイラ​

JITコンパイラの階層​

JDKディストリビューション​

主要なディストリビューション​

選択の指針​

JVMオプション​

カテゴリ​

よく使うオプション​

本番環境向け推奨設定​

JDK/JRE/JVMの関係​

Java 11以降の変化​

診断ツール​

JDK付属ツール​

実践例​

まとめ​

次のステップ​