アバンタイトル
IT分野は範囲がとても広いです。そのため、過去問を解いていると１ページに何個も理解できない単語が出てきます。それを一気に理解しようとするのはとても骨が折れるし、やる気も続きません。
しかし、そんな時は１周まわって１つのことに徹底集中してみるのはどうでしょうか？覚えなきゃいけないことが沢山あると、終わりが見えずモチベーションが続きません。
でも、「今日はこの１つをマスターしよう！」と１つにフォーカスすればゴールが見えて、集中力も続くようになります。また、一点集中型なので理解力も深まり応用も効くようになります。
ということで、当サイトでは１点集中をコンセプトに解説を展開しています。勉強法が定まっていなかったり悩んでいる方は是非、続きをご覧になってみてはいかかでしょうか？
はじめに
今回も中二病心を刺激するワードを取り扱います。それがガーベジコレクション（GC）です。
今回学ぶこのフレーズに対しては、「難しそー」とか「役に立つの？」といった思考は一旦おいといて「ただかっこいいから知りたい！」というシンプルな思考でStudyしていってほしいです。
そのためにこの記事では、初心者にも超分かりやすく解説していきます。ただの試験対策、ただの退屈な勉強、という感覚ではなく、「人前でこのフレーズを言ってる自分を想像したらカッコよかったから」とか、そういう軽い気持ちでStudyしていきましょう！また、この記事はだれでも読み進められる構成になっているので、最後まで楽に進めます。そして、読み終わった頃には、「あれ？知らぬ間に理解が深まっているぞ」ということに気づくでしょう。それでは、一緒に学んでいきましょう！そして、「勉強しなきゃ！」という義務感ではなく「かっこいいから知りたい！」という単純な理由で楽しみながらStudyしていきましょう！
【ここで扱う疑問】
- ガーベジコレクションを簡単に言うと？
- ガーベジコレクションのポイントは？
- 「使われていない」の基準は？
- ガーベジコレクションの弱点は？
- WindowsPCでガーベジコレクションを可視化してみよう！
- メモリリークってなに？
- 循環参照ってなに？
- the worldってなに？
などなど、他にも様々な中二病心を刺激するワードを超分かりやすく解説していきます！ぜひ、この言葉を喋ってる自分を想像しながら読み進めてみてください！
ガーベジコレクションを簡単に言うと？
ガーベジコレクション（GC）は、プログラムが使わなくなったメモリを自動的に見つけて解放する仕組みです。これにより、メモリの無駄遣いを防ぎます。
ガーベジコレクションのポイントは？
ガーベジコレクションのポイントは以下の通りです：
- 自動管理: プログラムが使わなくなったメモリを自動的に検出して解放 します。これにより、手動でのメモリ管理が不要になります。
- メモリリークの防止: 不要なメモリが残り続けることによるメモリリークを防止します。
- プログラムの安全性と効率性: メモリ管理を煩わずに済むため、プログラムの安全性と効率性が向上します。
- 実装の複雑さ: ガーベジコレクションの実装は複雑であり、タイミングや方法によってはプログラムの動作が一時停止することがあるため、その点に留意する必要があります。
「使われていない」の基準は？
ガーベジコレクションは自動で使われなくなったメモリを解放してくれます。では、「使われなくなった」の基準は何ですか？なぜ自動で解放できるんですか？ここでは、このような疑問を解決していきます！
ガーベジコレクションがメモリを開放する基準は以下の通りです：
- 参照カウント法: 各オブジェクトが何回参照されているかをカウントし、参照がゼロになったオブジェクトを解放します。ただし、循環参照には対応できません。
- トレースベース法: 「マーク＆スイープ」や「コピー」といった手法があります。
- マーク＆スイープ: まず、すべてのオブジェクトを訪問し、使用中のオブジェクトを「マーク」します。その後、マークされなかったオブジェクトを「スイープ」（解放）します。
- コピーコレクション: メモリを2つの領域に分け、使用中のオブジェクトだけを別の領域にコピーし、元の領域をすべて解放します。
これらの基準に基づいて、ガーベジコレクションは自動的にメモリを管理し、不要なオブジェクトを解放します。
ガーベジコレクションの弱点は？
ガーベジコレクション（GC）にはメリットだけでなく、いくつかのデメリットや弱点もあります。主なものを以下に挙げます：
- パフォーマンスの影響: ガーベジコレクションが動作する際に、プログラムの一時停止（ガーベジコレクションの停止-the-world）が発生することがあります。特に大規模なメモリ管理や頻繁なガーベジコレクションが必要な場合、これがプログラムの応答性やパフォーマンスに影響を与えることがあります。
- 予測困難な停止: ガーベジコレクションの動作は一般的に予測が難しく、ガーベジコレクションが発生するタイミングやその期間を事前に制御することが困難です。リアルタイムな応用やタイミングに敏感なアプリケーションでは、これが問題となることがあります。
- メモリ使用量の増加: ガーベジコレクションは一時的にメモリを増加させることがあります。特にコピー・コレクションの手法では、新しいメモリ領域を必要とするため、実際にはメモリ使用量が増える場合があります。
- 実装の複雑さとオーバーヘッド: ガーベジコレクションの実装は複雑であり、効率的なアルゴリズムを選定し、調整する必要があります。また、ガーベジコレクションのための追加のリソース（CPUやメモリ）が必要となることがあり、これがアプリケーション全体のパフォーマンスに影響を与えることがあります。
これらのデメリットや弱点は、ガーベジコレクションを実装する際に考慮すべき点であり、特にパフォーマンスや応答性が重要なアプリケーションでは、適切なガーベジコレクションの選択や設定が重要です。
WindowsPCでガーベジコレクションを可視化してみよう！
今回はWindowsPCでの方法を紹介していきます！
Windowsのパフォーマンスモニターでガーベジコレクションを監視する方法は次の通りです：
- パフォーマンスモニターの起動:
- スタートメニューで「パフォーマンスモニター」と入力し、アプリを起動します。（パフォーマンスと入力すれば大抵は予測結果に表示されます。）
- カウンタの追加:
- 左ペインで「パフォーマンスモニター」を選択し、上部の「＋」ボタン（緑色）をクリックします。
- .NETガーベジコレクションカウンタの選択:
- 監視の開始:
- 「OK」をクリックすると、選択したカウンタがパフォーマンスモニターに表示されます。
- これにより、リアルタイムでガーベジコレクションの活動を監視できます。
この設定で、特定のアプリケーションにおけるガーベジコレクションの頻度や影響を観察できます。
おまけ：用語解説
メモリリークってなに？
メモリリークとは、プログラムが動作する中で発生するメモリ管理の問題の一つです。具体的には、プログラムが使用したメモリ領域を不要になったにも関わらず解放せずに残しておくことを指します。これにより、使われていないメモリが次第に増え続け、最終的にはシステム全体のメモリが不足する原因となります。
例えば、プログラムが一時的に確保したメモリ領域を使用後に解放する命令を書き忘れた場合、そのメモリは不要なまま残り続けます。これが繰り返されると、システム全体で使えるメモリが少なくなり、結果としてプログラムのパフォーマンスが低下したり、クラッシュする原因となります。
メモリリークは特に長時間稼働するプログラムやメモリを頻繁に使用するアプリケーションにおいて重大な問題となる場合があります。そのため、適切なメモリ管理を行うことが重要です。
クラッシュってなに？
「クラッシュ」という用語は、コンピュータやソフトウェアの分野で使われる言葉で、以下のような意味があります：
- ソフトウェアのクラッシュ: プログラムが予期せず停止することを指します。これは通常、ソフトウェアが想定外のエラーや異常な状態に遭遇した際に発生します。例えば、メモリ不足、無限ループ、または致命的なエラーが原因となることがあります。
- システムのクラッシュ: コンピュータ全体が応答しなくなり、操作ができなくなる状態を指します。この場合、通常は電源を切るなどの再起動が必要となります。
クラッシュは一般的にはプログラムやシステムの安定性に深刻な影響を与え、データの損失や作業の中断を引き起こす可能性があります。そのため、ソフトウェアやシステムの設計、開発、テスト段階での品質管理が重要です。
循環参照ってなに？
循環参照（Circular Reference）とは、プログラムの中で複数のオブジェクトやデータが互いに参照し合う状態のことを指します。具体的には、オブジェクトAがオブジェクトBを参照し、同時にオブジェクトBもオブジェクトAを参照するような構造です。
例を挙げると、以下のような場合が考えられます：
- クラスAのインスタンスがクラスBのインスタンスをメンバ変数として持ち、同時にクラスBのインスタンスがクラスAのインスタンスをメンバ変数として持つ場合。
- 二重リンクリストなど、データ構造が自己参照的に連結されている場合。
循環参照が発生すると、通常の参照カウント方式のガーベジコレクションでは、メモリ解放されるべきオブジェクトが互いに参照し合っているため、参照カウントがゼロにならず、メモリが解放されない問題が発生します。このため、循環参照を解消するための特別な手法や、ガーベジコレクションのアルゴリズムが必要とされます。
トレースベース法ってなに？
トレースベース法は、ガーベジコレクションの一種で、メモリ中の到達可能なオブジェクトを辿って確認し、不要なオブジェクトを解放する方法です。
具体的には、プログラムのルート（スタックや静的変数など）から始め、そこからアクセス可能なすべてのオブジェクトを追跡します。この過程を「トレース」と呼びます。
the-worldってなに？
the world（ザ・ワールド）という言葉は、一般的にガーベジコレクション中にプログラムが一時停止することを指します。具体的には、ガーベジコレクタが動作する際に、プログラムの実行が一時的に停止する状態のことです。
この一時停止は、ガーベジコレクタがメモリをスキャンしたり、不要なオブジェクトを解放したりする間に発生します。プログラムが停止するため、「the world stops」または「the world stops for GC」と表現されることがあります。
世代ってなに？
ガーベジコレクション（Garbage Collection）において、「第0世代」（Gen 0）、 「第1世代」（Gen 1）、 「第2世代」（Gen 2）という用語は、メモリ管理の世代分けを表すものです。これらの世代は、オブジェクトがどれだけ長く存続するかに基づいて分類されます。
- 第0世代（Gen 0）:
- 新しく作成されたオブジェクトが置かれる、最も一時的なメモリ領域です。この世代では、多くのオブジェクトが一時的に存在し、それらのほとんどが短時間で使用されなくなります。そのため、第0世代のオブジェクトは比較的頻繁にガーベジコレクションされます。
- 第1世代（Gen 1）:
- 第0世代で一定期間（通常はガーベジコレクションの間隔）生存し続けたオブジェクトが移動する次のレベルのメモリ領域です。第1世代にあるオブジェクトは、第0世代に比べて存続期間が長く、ガーベジコレクションの対象となる頻度が低くなります。
- 第2世代（Gen 2）:
- 第1世代でさらに長期間生存し続けたオブジェクトが最終的に移動するメモリ領域です。第2世代にあるオブジェクトは、非常に長い期間にわたって使用され続けることが多いため、ガーベジコレクションの対象となる頻度は最も低くなります。
ガーベジコレクションでは、これらの世代に基づいて、異なる頻度でのガーベジコレクションが行われることがあります。通常は、第0世代のコレクションが最も頻繁に行われ、第1世代、第2世代のコレクションはより長い間隔で行われます。
おわりに
本日はここまでです。今日は、ガーベジコレクションをStudy＆マスターしてきました！ただカッコいいからという理由だけの方が、意外と集中して向き合うことができたのではないでしょうか？
そうなんです！「勉強しなきゃ！知識つけなきゃ！」のように勉強を義務にしてしまうと長く続きません。だからこそ、私たちは楽しんで知識を身に着けていきましょう！そんなことをやってるうちに気づいたらスペシャリストになっているかもしれません！
これからも、今日みたいに「the勉強するぞ！」という意気込みではなく、ヌルっと気づいたら知識が増えてた！みたいな軽い感覚でStudyを一緒にしていきましょう！
本日はここで、終わります。ありがとうございました。またお会いしましょう！では、さらばじゃ！
