ファイナライザを理解する ~ ファイナライザに起因するトラブルを避けるために ~ 2013 年 11 月 25 日橋口雅史 Java アプリケーションでファイナライザ (finalize() メソッド ) を使用したことがあるプログラマーは多いと思いますしかしファイナライザの仕組みや注意点につ

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たかとしかやぬま
5 years ago
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1 ファイナライザを理解する ~ ファイナライザに起因するトラブルを避けるために ~ 2013 年 11 月 25 日橋口雅史 Java アプリケーションでファイナライザ (finalize() メソッド ) を使用したことがあるプログラマーは多いと思いますしかしファイナライザの仕組みや注意点について理解したうえで使っているでしょうか? アプリケーションプログラムでファイナライザを使用する場合はガーベジコレクションの挙動などについて理解しておく必要がありますそのためガーベジコレクションの仕組みと併せてファイナライザについて解説します 1. はじめに Java にはファイナライザという仕組みが定義されていますファイナライザは簡単にプログラムに組み込めます一方でファイナライザを間違って使うとトラブルを引き起こします本書はファイナライザの仕組みについて説明していますしかしファイナライザの使用を推奨するものではありませんファイナライザは使い方が非常に難しいため基本的にはファイナライザを使用しないでくださいファイナライザの使用を検討する前に目的を実現可能なほかの方法を検討してくださいどうしてもファイナライザを使う必要がある場合は本書の内容を十分に理解した上で必要最小限の範囲で使用してください本書の対象読者本書は Java 言語 Java API などの仕様や Java に関する知識を持っている読者を対象にしています本書では Java に関する基本的な用語などについて詳しく説明しません用語などに関する情報はそれぞれの仕様書や一般書籍などを参照してください 2. ファイナライザにおけるよくある誤解ファイナライザの仕組みについては 3 章以降で詳しく説明しますがファイナライザに関してよく誤解されることを紹介しますこれらの誤解を解くことも本書の目的のひとつですファイナライザ実行のタイミングファイナライザを持つオブジェクトはそれがゴミになった時点ですぐにファイナライザが実行されると誤解されることがあります実際にはそのようなことはありませんファイナライザの実行タイミングをアプリケーションでは制御できません 1

2 ガーベジコレクションとファイナライザの関係ファイナライザを持つオブジェクトはそのオブジェクトが到達不能になったあとガーベジコレクション (GC) 処理が 2 回実行されればオブジェクトのファイナライザが必ず実行されそのメモリが回収されると誤解されることがあります世代別 GC を実装している Java VM においてはファイナライザを持つオブジェクトが Old 領域に存在することがあります Old 領域に存在するオブジェクトはファイナライザ到達可能になってもフル GC が実行されるまでファイナライズ可能になりませんそのため New 領域に対する GC が何度実行されてもオブジェクトはファイナライズ可能になりませんつまりファイナライザは実行されませんまた GC 処理の最中ファイナライザは処理されませんそのためファイナライズ待ちリストに大量のオブジェクトが存在する状態で GC が頻発した場合いつまでもファイナライザが処理されないこともあり得ます 3. ガーベジコレクションファイナライザはガーベジコレクション (GC) と密接な関係にありますそのためまず GC についての基本的な特徴を説明します続いて富士通のアプリケーションサーバーに採用している Java VM の GC 方式 ( 世代別 GC) について説明しますガーベジコレクションの基本的な特徴 Java のメモリ管理では GC が重要な役割を果たします Java VM がオブジェクトを管理するメモリ領域 (Java ヒープ領域 ) がいっぱいになると Java VM は GC 処理を実行します GC 処理では不要になったオブジェクトのメモリを開放しほかのオブジェクトによってメモリを使用できるようにします Java VM はオブジェクトが必要かどうかをオブジェクトに対する参照が存在するかどうかで判断しますつまり Java アプリケーションによって使用されているクラスのクラス変数やスタック上の変数から参照をたどって到達できるオブジェクトはその時点で必要であると言えます逆に参照関係が途切れている場合そこから先のオブジェクトには到達できないので不要になったものと言えます ( 不要になったオブジェクトのことをゴミと言うこともあります ) クラス変数到達できないオブジェクト ( 不要なオブジェクト ) 図 1 クラス変数から到達できないオブジェクトの例 2

3 世代別ガーベジコレクション富士通のアプリケーションサーバーに採用している Java VM は Java ヒープを世代で管理して GC 処理の効率化を図っています Java ヒープは New 世代 Old 世代および Permanent 世代のみっつの領域に分かれています Permanent 世代領域はロードしたクラスの情報などが格納される領域ですファイナライザの説明とは関係しないためここでは説明を省略します New 世代領域 Old 世代領域一定回数の GC 処理を経験しても残存するオブジェクトは Old 世代領域に移される図 2 世代別ガーベジコレクション Java アプリケーションが生成を要求したオブジェクトのメモリは通常 New 世代領域に割り当てられます New 世代領域がいっぱいになるまでオブジェクトが生成されると Java VM は GC 処理を実行します GC 処理が終了すると参照が存在するオブジェクトだけが New 世代領域に残ります GC 処理が一定回数繰り返されたあとも New 世代領域に残っているオブジェクトは GC 処理によって Old 世代領域に移動されます Old 世代領域のメモリは Old 世代領域がいっぱいになるまでガーベジコレクトされませんこの特徴はファイナライザの挙動にも影響してきます 4. ファイナライザファイナライザとは finalize() メソッドのことです finalize() メソッドは Java 言語におけるすべてのクラスの継承元である java.lang.object クラスに定義されていますすなわちすべてのクラスは finalize() メソッドを持ちますしかし java.lang.object クラスの finalize メソッドは何もしません finalize メソッドは継承先のクラスでオーバーライドされたときに意味を持ちますファイナライザは C++ 言語のデストラクタと同じものだと考えられることがありますしかし C++ 言語のデストラクタと Java 言語のファイナライザはまったく異なります C++ 言語のデストラクタはスタック上に作成されたオブジェクトが自動的に破棄される場合やメモリ上に作成されたオブジェクトが delete 演算子によって明示的に破棄される場合に呼び出されますつまりデストラクタを呼び出すタイミングをアプリケーションで制御可能です Java 言語のファイナライザはオブジェクトのライフサイクルすなわち GC 処理と密接に関わっています GC 処理はアプリケーションでは制御できませんそのためファイナライザを呼び出すタイミ 3

4 ングもアプリケーションでは制御できませんファイナライザについて理解するにはオブジェクトのライフサイクルを理解する必要がありますそのためファイナライザが実行される仕組みを説明する前に Java VM がファイナライザを持たないオブジェクトをどのように制御するか説明します次に Java VM がファイナライザを持つオブジェクトをどのように制御するか説明しますファイナライザを持たないオブジェクトのライフサイクル本書ではファイナライザを持たないオブジェクトのことを便宜的に通常のオブジェクトとします通常のオブジェクトにはオブジェクトへの参照が存在する状態 ( 到達可能 ) とオブジェクトへの参照が存在しない状態 ( 到達不能 ) が存在します表 1 通常のオブジェクトの状態一覧オブジェクトの状態到達可能 (reachable) 到達不能 (unreachable) Java アプリケーションによってオブジェクトの生成が要求されてからそのメモリが回収されるまでの状態は次のように遷移します状態遷移オブジェクト生成要求メモリ割り当て済みオブジェクトへの参照を設定到達可能オブジェクトへの参照がすべてなくなる到達不能ガーベジコレクション処理メモリ回収済み図 3 通常のオブジェクトの状態遷移オブジェクトが到達不能な状態に遷移するとそれ以降の GC 処理によってそのオブジェクトのメモリは回収されます回収されたメモリはほかのオブジェクトを生成するときのメモリとして再利用されま 4

5 すファイナライザを持つオブジェクトの管理方法ファイナライザを持つオブジェクトの管理方法は通常のオブジェクトと異なります一般的な Java VM ではファイナライザを持つオブジェクトを特別なリストで管理しますこのリストを便宜的にファイナライザ管理リストと呼びます Java VM はファイナライザを持つオブジェクトのメモリを割り当てると同時にファイナライザ管理リストでも管理しますファイナライザ管理リストは Java アプリケーションからは操作できませんリストの目的はファイナライザを呼び出すまで Java ヒープ内にオブジェクトを留めておくことですファイナライザ管理リスト図 4 ファイナライザ管理リストの概念図オブジェクトに到達可能な参照がファイナライザ管理リストだけになると Java VM はそのオブジェクトのメモリを回収するまえにファイナライザを実行しますファイナライザを実行するため Java VM はオブジェクトをファイナライザ管理リストから別のリストにつなぎかえますこのリストのことを便宜的にファイナライズ待ちリストと呼びますファイナライザ管理リストファイナライズ待ちリスト図 5 ファイナライザ管理リストからファイナライズ待ちリストへの移動ファイナライズ待ちリストにつながれたオブジェクトは Java VM によってファイナライザが実行されますファイナライザが実行されるとファイナライズ待ちリストからの参照もなくなります 5

6 ファイナライザ管理リストファイナライズ待ちリストファイナライザ実行済み (GC の回収対象 ) 図 6 ファイナライザ実行後のリストの状態このような状態になるとオブジェクトは GC の回収対象になりますファイナライザを持つオブジェクトのライフサイクルファイナライザを持つオブジェクトには通常のオブジェクトに加えてファイナライザ到達可能という状態が存在します表 2 ファイナライザを持つオブジェクトの状態一覧オブジェクトの状態到達可能 (reachable) ファイナライザ到達可能 (finalizer reachable) 到達不能 (unreachable) またファイナライズの状態という属性も考慮する必要があります表 3 ファイナライズの状態一覧ファイナライズの状態未ファイナライズ (unfinalized) ファイナライズ可能 (finalizable) ファイナライズ済 (finalized) Java アプリケーションによってオブジェクトの生成が要求されてからそのメモリが回収されるまでの状態は次のように遷移します 6

7 状態遷移オブジェクト生成要求メモリ割り当て済み未ファイナライズオブジェクトへの参照を設定到達可能未ファイナライズオブジェクトへの参照がファイナライザ管理リストだけになるファイナライザ到達可能未ファイナライズガーベジコレクション処理ファイナライズ可能ファイナライザ実行ファイナライズ済オブジェクトへの参照がなくなる到達不能ファイナライズ済ガーベジコレクション処理メモリ回収済み図 7 ファイナライザを持つオブジェクトの状態遷移オブジェクトへの参照がファイナライザ管理リストだけになるとオブジェクトの状態はファイナライザ到達可能に遷移しますファイナライザ到達可能の状態に遷移したオブジェクトはそれ以降に実行される GC 処理によってファイナライズ待ちリストにつながりますそれによりファイナライズの属性はファイナライズ可能に変化しますファイナライズ待ちリストに繋がったオブジェクトは Java VM によってファイナライザが実行されますファイナライザが呼び出されるとオブジェクトのファイナライズの属性はファイナライズ済に変化しますそしてファイナライズ待ちリストからの参照がなくなりますつまりオブジェクトに対す 7

8 る参照がなくなりますオブジェクトへの参照がなくなると状態は到達不能に遷移しますそしてそれ以降に実行される GC 処理によってオブジェクトのメモリが回収されますこのようにファイナライザを持つオブジェクトのメモリが回収されるまでには通常のオブジェクトよりも多くの状態遷移が必要ですまたアプリケーションで制御することができません 5. ファイナライザに関する注意事項ファイナライザに関する注意事項について説明しますファイナライザの実行順序は不定ファイナライザはアプリケーションが実行されるスレッドとは別のスレッドで処理されますまたファイナライザが実行される順序は不定ですアプリケーションではその順序を制御できませんその特徴により特に同期処理で問題が発生する可能性があります例えばファイナライザ以外の処理とファイナライザのあいだで同期を取ろうとするとプログラマーが意図しない順序でファイナライザが実行された結果デッドロックに陥ることがありますファイナライザとファイナライザ以外の処理のあいだでは同期処理を行わないでくださいファイナライザ以外の処理ファイナライザ? どのファイナライザがいつ実行されるか分からない? 通常の処理間では問題なく同期できてもファイナライザとはうまく同期できない図 8 ファイナライザの同期処理に関する問題ファイナライザをリソース管理に使ってはいけないメモリなどのリソースをファイナライザで解放するようなプログラムはリソースのリークを招く恐れがありますファイナライザの実行タイミングはアプリケーションで制御できませんまた Java VM がファイナライザをいつ実行するのかも分かりません場合によってはファイナライザが実行されるまでに非常に長い時間がかかることがありますそのような場合リソースの解放をファイナライザに頼っているといつまでもリソースが解放されないことになりますオブジェクトのメモリがガーベジコレクタによって回収されたことを契機としてリソース解放などの処理を行いたい場合は java.lang.ref パッケージを使用してください 8

9 リソースの解放が必要なクラスには解放用のメソッドを用意してくださいそしてインスタンスの使用が終わったらそのメソッドを呼び出してくださいファイナライザはそのメソッド呼び出しを忘れてしまったときでもリソースを解放する後始末の役目としてだけ用意してください java.io パッケージに含まれるクラスなどはそのような実装になっていますそれらのクラスのインスタンスに対してはそのインスタンスの使用が終わったら原則として close() メソッドを呼び出してリソースを解放する必要があります万が一 close() メソッドが呼び出されなかったときのためにファイナライザでもリソースを解放します System.runFinalization() でファイナライザを確実に実行できるわけではない Java には java.lang.system.runfinalization() というメソッドがありますそのメソッドを呼び出せばファイナライザを実行できると思われることがありますがそのようなことはありません runfinalization() メソッドは先に説明したファイナライズ待ちリストに繋がっているオブジェクトのファイナライザを呼び出すものですしかしファイナライズ待ちリストに繋がっていないオブジェクトに関しては何の効果もありませんまたオブジェクトがファイナライズ待ちリストに繋がるタイミングは Java VM の処理に依存するため runfinalization() メソッドをいくら実行してもファイナライザが実行されないことがありますファイナライザの処理中に発生した例外は無視される Java 言語仕様で定義されているようにファイナライザの処理中に発生した例外は無視されますまたその時点でファイナライザの処理は終了します例外は Java 実行環境やアプリケーションの異常によって発生することがありますがファイナライザは発生した例外を無視しますそのためなんらかの異常を残したままアプリケーションが動き続ける可能性がありますまた例外の発生によりファイナライザの処理が中断されるため期待した処理が完了せず思わぬ問題を引き起こすことがありますファイナライザに記述する処理は例外が発生しないものか例外が発生しても無視してよいものに限ってください親クラスがファイナライザを使っていることがあるプログラムではファイナライザを使っていないのにファイナライザが原因でトラブルが発生することがありますそれはプログラムで定義したクラスの継承元でファイナライザを使用している場合ですそのようなトラブルを未然に防ぐのは難しいですが有効な方法のひとつはクラスの設計時に不要な継承関係を作らないことですアプリケーションの設計時に Java のコアライブラリなどに含まれるクラスを継承する必要性を十分に検討してくださいすなわちオブジェクト指向における is-a 関係ではなく has-a 関係による目的 9

10 の実現を検討してくださいまたインタフェースの実装をクラスの継承で代用しないでください ( プログラミングが簡単になるという理由だけでクラスの継承を選択しないでください ) インタフェースの実装が必要な場合はまずその実現を検討してください GC が頻発するとファイナライザの処理が進まないファイナライザは GC の最中は処理されません GC が頻発するような状況になるとファイナライザの処理が一向に進まなくなりますファイナライザによるリソースの解放を期待するようなプログラムでは GC によるファイナライザ処理の遅延ファイナライザ処理の遅延による Java ヒープ領域の圧迫 GC の発生 GC によるファイナライザ処理の遅延という悪循環に陥ることがあります 6. 参考文献 The Java Language Specification Java SE 7 Edition 10

21 章のお話

21 章のお話オブジェクトヘッダ型オブジェクトポインター (4byte, 8byte) 型の構造体へのポンタ同期ブロックインデックス (4byte, 8byte) ロックとか COM で利用するフィールドマネージヒープ NextObjPtr マネージヒープ NextObjPtr オブジェクト A を割り当てたい! 同期ブロック同期ブロックインデックス ~ フィールドまでが入るようにする