はじめまして！バックエンドエンジニアのnnhkrnkと申します！

先日組み込み系エンジニアの友人と話していた際、C言語ではメモリをユーザが意図的に開放しないとメモリリークが起きるということを初めて知りました。自分は普段Javaを書いてますが、メモリを意識してコーディングをしたことはほとんどありません。どのような仕組みになっているのか気になったため、Javaにおけるメモリ解放について調べてみました！

メモリ解放は誰がやっているのか

CやC++ではユーザが意図的にメモリ管理をする必要がありました。JavaではJVMがその役割を担っています。メモリの使用や解放を自動で行ってくれるため、ユーザがメモリを意識せずにコーディングできるというわけです。

メモリ解放の仕組み

メモリ解放はJVMのガベージコレクション（GC）という機能で行われています。ガベージコレクションの処理を知る前に、JVMが管理するメモリ領域について整理していきましょう。

4種類のメモリ領域

Javaプログラムが実行されると、Javaのプロセスにメモリが割り与えられます。そのメモリ領域は以下の４つの領域に分けられます。

ヒープ領域
スタック領域
メタスペース
ネイティブメモリ（※JVMではなくOSが管理する領域）

領域	用途・特徴
ヒープ領域	生成されたインスタンスの情報が保存される領域。
スタック領域	実行中のプログラムの情報が保存される領域。実行中の行が「どこから呼び出されていて、どんな情報を参照可能か」などを持っているイメージ。
メタスペース	クラス定義、メソッドコード、定数プールなどのクラス関連の情報が保存される領域。
ネイティブメモリ	Javaプログラムがネイティブコード（C、C++などで記述されたコード）を呼び出す際に使用される領域。 JVMではなくOSが直接管理をしている。

このうち、プログラム実行中にメモリ管理が必要になるのはヒープ領域になります。ガベージコレクションでは、このヒープ領域を対象としてメモリの管理を行っています。

ヒープ領域の詳細

ヒープ領域は大きく分けて以下の２つの領域で構成されています。

Young領域
Old領域

領域	特徴
Young領域	メモリに格納されてからの時間が比較的短いデータが格納されている領域。新しく生成されたオブジェクトが一時的に配置される。
Old領域	メモリに格納されてからの時間が比較的長いデータが格納されている領域。 Young領域からのオブジェクトが長寿命のものとして移動する。

Young領域にはさらにEdenとSurvivorの2つの領域に分けられます。 Survivorは領域が2つありますが、どちらも役割は同じです。

ガベージコレクション

ガベージコレクションの処理の流れを理解する前に、ガベージコレクションには主に以下の2種類があるということを押さえておきましょう。

ガベージコレクションの種類	対象領域	トリガー条件
マイナーGC	Young領域（Eden領域、Survivor領域）	Eden領域がいっぱいになった場合
フルGC	ヒープ領域全体（Young領域とTenured領域）	Tenured領域がいっぱいになった場合

マイナーGC

マイナーGCは以下のルールに沿ってメモリ解放を行います。 * Eden領域のデータ * データが不要（参照されてない）の場合、データを削除してメモリを解放する * データがまだ必要な場合、データをSurvivor領域に移動させてメモリを解放する * Survivor領域のデータ * データが不要の場合、データを削除してメモリを解放する * データがまだ必要な場合、データをもう片方のSurvivor領域かTenured領域に移動させてメモリを解放する

具体的に図で見ていきましょう。インスタンスが生成される、そのデータはEden領域に格納されます。これが繰り返されるとEden領域がいっぱいになり、いずれはメモリが足りなくなってしまいます。その際に実行されるのがマイナーGCです。

実行開始後、Eden領域のデータがまだ参照されているかどうかを確認します。参照されてない場合は削除、参照されている場合はSurvivor領域に移動させることでメモリ解放を行います。

同じタイミングでSurvivor領域のメモリ解放も行います。参照されてない場合は削除することでメモリ解放を行い、まだ参照されている場合はもう片方のSurvivor領域に移動することでメモリを解放します。

そのため、長い間解放されないデータは2つのSurvivor領域を行き来することになります。この回数には上限があり、上限を超えたデータはTenured領域に移動されるというわけです。

フルGC

マイナーGCを繰り返していくと、必要なデータが多く残っている場合にTenured領域がどんどん埋まっていってしまいます。これを繰り返すと、マイナーGC実行時にTenured領域に空きがないために必要なデータを移動できないという事態が発生し、マイナーGC自体が失敗してしまいます。その失敗を契機として実行されるのがフルGCです。