コピーGC（コピージージー）

2025年10月26日

コピーGC（コピージージー）

英語表記: Copying GC (Copying Garbage Collection)

概要

コピーGCとは、主記憶（DRAM）上に確保されたヒープメモリを管理するガーベジコレクション（GC）手法の一つです。この方式の最大の特徴は、生存しているオブジェクト（まだプログラムから参照されているデータ）だけを新しいメモリ領域へ「コピー」し、元の領域を丸ごと解放してしまう点にあります。これにより、メモリ管理における深刻な問題である「断片化」を効率的かつ確実に取り除くことを目的としています。

この手法は、特に「メモリ階層（キャッシュ, DRAM, NVRAM）におけるメモリ管理と運用」という文脈において、DRAM上に展開されるアプリケーションの作業領域（ヒープ）の健全性を保つために非常に重要な役割を果たしています。メモリの利用効率を高め、プログラムの実行速度を維持するために欠かせない技術だと私は考えています。

詳細解説

コピーGCは、ガーベジコレクションの中でも特にシンプルで強力な仕組みを持っています。その目的は、単に不要なオブジェクトを削除するだけでなく、メモリの「断片化」を解消し、必要なデータが連続した領域に配置されるようにすることにあります。これは、メモリ管理の運用においてパフォーマンスを維持する上で、非常に重要な要素です。

動作原理と主要コンポーネント

コピーGCが動作するために、ヒープ領域は通常、同じサイズの二つの領域に分割されます。これらは一般的に「Fromスペース」と「Toスペース」と呼ばれます。

初期状態: オブジェクトはまずFromスペースに割り当てられます。
GCの実行: ガーベジコレクションが開始されると、プログラムの実行はいったん停止します（これは「Stop The World」と呼ばれ、コピーGCの大きな欠点の一つですが、正確な処理のために必要です）。
生存オブジェクトの特定とコピー: ルート（スタックやレジスタなどから直接参照されるオブジェクト）から辿れる、現在生存しているオブジェクトを特定します。特定されたオブジェクトは、Fromスペースから空っぽのToスペースへ順番にコピーされます。
ポインタの更新: オブジェクトが移動したため、そのオブジェクトを参照していたすべてのポインタ（メモリ上のアドレス情報）は、Toスペースの新しいアドレスに更新されます。
スペースの役割交換: コピーが完了した後、以前のFromスペース（不要なオブジェクトが残っている領域）は丸ごと解放され、次のオブジェクト割り当てのために再利用されます。そして、FromスペースとToスペースの役割が入れ替わります。

断片化の解消とパフォーマンスへの寄与

このコピー処理の最大の利点は、生存オブジェクトがToスペースに隙間なく連続して配置されることです。これにより、メモリの「断片化」が完全に解消されます。断片化が解消されると、新しい大きなオブジェクトを割り当てる際に、メモリを検索する必要がなくなり、非常に高速に処理できるようになります。

また、オブジェクトが連続して配置されることで、CPUのキャッシュメモリ（DRAMよりも高速なメモリ階層）の効率が向上します。隣接するデータが連続して読み込まれるため、キャッシュヒット率が高まり、結果的にアプリケーション全体の実行速度が改善するのです。メモリ管理の観点から見ると、これは非常に洗練された運用方法と言えます。

デメリットと効率性

一方で、コピーGCにはトレードオフが存在します。ヒープメモリ全体のうち、常に半分（Toスペース）が予備として未使用の状態になければならないため、メモリ使用効率が50%に制限されてしまう点です。これは、潤沢なDRAMリソースが求められる現代のシステムにおいては許容されやすいものの、リソースが限られた環境では大きな課題となり得ます。

さらに、前述した「Stop The World」によるプログラムの一時停止時間が、生存オブジェクトの量に比例して長くなる傾向があるため、リアルタイム性が求められるシステムでは、この停止時間をいかに短縮するかが重要な運用課題となります。

具体例・活用シーン

コピーGCは、ガベージコレクションの効率を高める手法として広く利用されています。特に、オブジェクトの生成と破棄が頻繁に行われる環境、すなわち「短命なオブジェクト」が多く発生する環境で真価を発揮します。

1. 短命オブジェクトの効率的な処理

Javaや.NETなどのランタイム環境では、多くのオブジェクトは非常に短命であることが知られています。コピーGCは、世代別GC（Generational GC）の一部として採用されることが多いです。

世代別GCでの利用: ヒープを「若年世代（Tenured Generation）」と「老年世代（Young Generation）」に分けます。若年世代には短命なオブジェクトが多く集まるため、コピーGCを適用します。これにより、GC処理のたびに大量の不要なオブジェクトを無視し、生存している少数のオブジェクトだけを高速にコピーできます。これは、メモリ管理の運用負荷を大幅に軽減する賢いアプローチです。

2. 倉庫の引っ越しアナロジー

コピーGCの動作を理解するための良いアナロジーとして、「倉庫の引っ越し」を考えてみましょう。

ある日、古い倉庫（Fromスペース）が物でごちゃごちゃになり、どこに何があるかわからなくなりました。この倉庫には、まだ使う予定のある大切な荷物（生存オブジェクト）と、もう二度と使わないゴミ（不要オブジェクト）が混在しています。

そこであなたは、隣の空っぽの新しい倉庫（Toスペース）を用意します。

選別と移動: あなたは古い倉庫に入り、本当に必要な大切な荷物だけを選び出し、新しい倉庫の入口から順番に、隙間なくきっちり詰め替えます。
住所録の更新: 荷物を移動させたら、その荷物の新しい場所を記した住所録（ポインタ）をすべて書き換えます。
古い倉庫の破棄: 荷物の移動が完了したら、古い倉庫はゴミも含めて丸ごと閉鎖・解体します。これで、新しい倉庫は整理整頓され、次に荷物を置く場所がすぐに見つかる状態（断片化ゼロ）になります。

この比喩のポイントは、ゴミを一つ一つ掃除するのではなく、必要なものだけを選んで移動し、残りをすべて捨てるという点です。これがコピーGCの効率性の源泉であり、メモリを常にクリーンな状態に保つ、優れた「メモリ管理と運用」の手法なのです。

資格試験向けチェックポイント

コピーGCは、特に基本情報技術者試験や応用情報技術者試験において、ガーベジコレクションのメカニズムを問う問題として頻繁に出題されます。メモリ管理の知識を試す重要な論点です。

断片化解消のメカニズム: コピーGCの最大のメリットは「断片化（フラグメンテーション）を完全に解消できる」点であることを必ず覚えておきましょう。これはマーク＆スイープ方式との決定的な違いです。
メモリ効率の制約: ヒープ領域の半分を常に未使用のToスペースとして確保する必要があるため、メモリ利用効率が約50%になるという欠点を理解しておく必要があります。このトレードオフは、試験で必ず問われます。
Stop The World (STW): GC実行中にアプリケーションの処理が停止する「Stop The World」が発生する方式であること。特に生存オブジェクト数が多い場合にSTW時間が長くなる傾向があるという特性は重要です。
世代別GCとの関連: コピーGCは、短命なオブジェクトが集まる「若年世代」のGC処理に採用されることが多い、という文脈を理解しておくと、応用的な問題に対応できます。
コンパクション（圧縮）との対比: コピーGCは、移動（コピー）によって断片化を解消するため、「コンパクション（圧縮）」機能を持つGC方式の一つとして扱われます。