パフォーマンス
はじめに
JVMのパフォーマンス最適化は、GCチューニングだけでなく、JITコンパイラ、ウォームアップ、スレッド管理など多くの要素が関係します。本章では、これらの要素を総合的に解説します。
JITコンパイラ
動作原理
JITコンパイラは、頻繁に実行される「ホットスポット」を検出し、ネイティブコードにコンパイルします。
┌────────────────────────────────────────────────────────────── ───────┐
│ JITコンパイルの流れ │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 実行開始 │
│ │ │
│ ↓ │
│ ┌───────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ インタプリタ実行 │ │
│ │ ・バイトコードを1命令ずつ解釈実行 │ │
│ │ ・プロファイル情報を収集（呼び出し回数、分岐パターン等） │ │
│ └───────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │ │
│ │ 実行回数がしきい値超過（ホットスポット検出） │
│ ↓ │
│ ┌───────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ C1コンパイラ（クライアントコンパイラ） │ │
│ │ ・高速コンパイル │ │
│ │ ・軽度の最適化 │ │
│ │ ・さらにプロファイル情報を収集 │ │
│ └───────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │ │
│ │ さらに頻繁に実行される │
│ ↓ │
│ ┌───────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ C2コンパイラ（サーバーコンパイラ） │ │
│ │ ・時間をかけてコンパイル │ │
│ │ ・積極的な最適化（インライン化、ループ展開等） │ │
│ │ ・最高のパフォーマンス │ │
│ └───────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
Tiered Compilation
# デフォルトで有効（Java 8以降）
-XX:+TieredCompilation
# 無効化（C2のみ使用）
-XX:-TieredCompilation
コンパイルしきい値
# インタプリタからC1へのしきい値
-XX:Tier3InvocationThreshold=200
# C2への昇格しきい値
-XX:Tier4InvocationThreshold=5000
ウォームアップ
なぜウォームアップが必要か
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ ウォームアップの効果 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ レスポンスタイム │
│ ▲ │
│ 200ms│ ● │
│ │ ● │
│ 100ms│ ● ● │
│ │ ● ● ● │
│ 50ms│ ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● │
│ │ │
│ └─────────────────── ───────────────────────────────→ 時間 │
│ ↑ ↑ │
│ 起動直後 ウォームアップ完了 │
│ (インタプリタ) (JITコンパイル済み) │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
ウォームアップ戦略
@Component
public class WarmupRunner implements ApplicationRunner {
@Autowired
private AuthenticationService authService;
@Override
public void run(ApplicationArguments args) {
// 起動時にホットパスを事前実行
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
try {
authService.validateToken("warmup-token");
} catch (Exception ignored) {
}
}
log.info("Warmup completed");
}
}
Kubernetes での対応
# Readiness Probeでウォームアップ完了を確認
readinessProbe:
httpGet:
path: /actuator/health/readiness
port: 8080
initialDelaySeconds: 60 # ウォームアップ時間
periodSeconds: 5
JITコンパイラの最適化
インライン化
// コンパイル前
public int calculate(int x) {
return helper(x) + 10;
}
private int helper(int x) {
return x * 2;
}
// インライン化後（JITによる最適化）
public int calculate(int x) {
return (x * 2) + 10; // helperがインライン展開
}
# インライン化の設定
-XX:MaxInlineSize=35 # メソッドサイズ上限（バイトコード）
-XX:FreqInlineSize=325 # ホットメソッドのサイズ上限
-XX:InlineSmallCode=2000 # コンパイル済みコードサイズ上限
エスケープ解析
public int process() {
// Pointオブジェクトがメソッド外にエスケープしない
Point p = new Point(10, 20);
return p.x + p.y;
}
// JITによる最適化後（スカラー置換）
public int process() {
int p_x = 10;
int p_y = 20;
return p_x + p_y; // オブジェクト生成なし
}
プロファイリング
JFR（Java Flight Recorder）
# JFR記録開始
java -XX:StartFlightRecording=duration=60s,filename=recording.jfr -jar app.jar
# 実行中のアプリに対して記録開始
jcmd <pid> JFR.start duration=60s filename=recording.jfr
# 記録停止
jcmd <pid> JFR.stop
# 記録ダンプ
jcmd <pid> JFR.dump filename=recording.jfr
JFRの分析（JDK Mission Control）
# JMC起動
jmc
# または
/path/to/jdk/bin/jmc
async-profiler
# CPU プロファイリング（30秒）
./profiler.sh -d 30 -f profile.html <pid>
# メモリアロケーションプロファイリング
./profiler.sh -e alloc -d 30 -f alloc.html <pid>
# ロックプロファイリング
./profiler.sh -e lock -d 30 -f lock.html <pid>
スレッド管理
スレッドプールのサイズ
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ スレッドプールサイズの目安 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ CPUバウンドタスク │
│ ┌────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ スレッド数 = CPU コア数 │ │
│ │ 例: 8コア → 8スレッド │ │
│ └────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ I/Oバウンドタスク │
│ ┌────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ スレッド数 = CPU コア数 × (1 + 待機時間/処理時間) │ │
│ │ 例: 8コア、待機80ms、処理20ms → 8 × (1 + 80/20) = 40スレッド │ │
│ └────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ Virtual Threads (Java 21+) │
│ ┌────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ スレッド数を気にする必要なし │ │
│ │ タスクごとにVirtual Threadを作成可能 │ │
│ └────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
Spring Boot でのスレッドプール設定
# application.yml
server:
tomcat:
threads:
max: 200 # 最大スレッド数
min-spare: 10 # 最小スレッド数
accept-count: 100 # 接続キューサイズ
メモリ効率
オブジェクト生成の削減
// ❌ 悪い例：ループ内でオブジェクト生成
for (String item : items) {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.append(prefix).append(item);
process(sb.toString());
}
// ✅ 良い例：オブジェクト再利用
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (String item : items) {
sb.setLength(0); // リセット
sb.append(prefix).append(item);
process(sb.toString());
}
プリミティブ型の活用
// ❌ 悪い例：オートボクシング
List<Integer> numbers = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++) {
numbers.add(i); // int → Integer のボクシング
}
// ✅ 良い例：プリミティブ配列
int[] numbers = new int[1_000_000];
for (int i = 0; i < numbers.length; i++) {
numbers[i] = i;
}
// または Eclipse Collections 等のプリミティブコレクション
IntList numbers = new IntArrayList();
文字列処理
String の不変性を意識
// ❌ 悪い例：文字列連結のループ
String result = "";
for (String s : strings) {
result += s; // 毎回新しいStringオブジェクトが生成される
}
// ✅ 良い例：StringBuilder
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (String s : strings) {
sb.append(s);
}
String result = sb.toString();
// ✅ さらに良い例：String.join または Stream
String result = String.join("", strings);
String Deduplication
# G1 GCで文字列重複排除を有効化
-XX:+UseStringDeduplication
# デフォルトの年齢閾値（この回数のGCを生き延びた文字列が対象）
-XX:StringDeduplicationAgeThreshold=3
I/O最適化
バッファリング
// ❌ 悪い例：バッファなしの読み込み
try (FileInputStream fis = new FileInputStream(file)) {
int b;
while ((b = fis.read()) != -1) {
process(b);
}
}
// ✅ 良い例：バッファ付き
try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(
new FileInputStream(file), 8192)) {
int b;
while ((b = bis.read()) != -1) {
process(b);
}
}
// ✅ さらに良い例：NIO
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(8192);
try (FileChannel channel = FileChannel.open(path)) {
while (channel.read(buffer) > 0) {
buffer.flip();
processBuffer(buffer);
buffer.clear();
}
}
パフォーマンス測定
JMH（Java Microbenchmark Harness）
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
@State(Scope.Thread)
public class StringBenchmark {
private String[] strings;
@Setup
public void setup() {
strings = new String[100];
for (int i = 0; i < 100; i++) {
strings[i] = "item" + i;
}
}
@Benchmark
public String concatenation() {
String result = "";
for (String s : strings) {
result += s;
}
return result;
}
@Benchmark
public String stringBuilder() {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (String s : strings) {
sb.append(s);
}
return sb.toString();
}
}
# 実行
mvn clean install
java -jar target/benchmarks.jar
本番環境のパフォーマンス設定
java \
# メモリ
-Xms4g -Xmx4g \
-XX:MaxMetaspaceSize=256m \
# GC
-XX:+UseG1GC \
-XX:MaxGCPauseMillis=200 \
# JIT
-XX:+TieredCompilation \
-XX:ReservedCodeCacheSize=256m \
# 診断（本番でも有効に）
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError \
-XX:HeapDumpPath=/var/log/app/ \
# JFR（常時記録）
-XX:StartFlightRecording=disk=true,maxsize=500m,maxage=1d \
# GCログ
-Xlog:gc*:file=/var/log/app/gc.log:time,uptime,level,tags:filecount=10,filesize=100m \
-jar app.jar
まとめ
| 項目 | ポイント |
|---|---|
| JIT | ホットスポットを自動検出して最適化 |
| ウォームアップ | 起動後にホットパスを事前実行 |
| プロファイリング | JFR/async-profilerで問題箇所を特定 |
| スレッドプール | タスク特性に応じたサイズ設定 |
| メモリ効率 | オブジェクト生成の削減、プリミティブ活用 |
| 測定 | JMHでマイクロベンチマーク |
次のステップ
- トラブルシューティング - 問題発生時の調査方法
- Java 21新機能 - Virtual Threadsによるスケーラビリティ向上