ガベージコレクション

机で勉強するときを思い浮かべてみましょう。新しい教材やノートを出して使うばかりで、読み終えた本を元の場所に戻さなければ、そのうち机がいっぱいになって、新しい本を置く場所がなくなりますよね。

コンピュータのプログラムも同じです。何か作業をするたびに、メインメモリ(RAM)という作業スペースにデータを載せて使います。ところが、使い終わったデータを片づけずに積み上げていくと、コンピュータのメモリがいっぱいになってしまう現象(メモリリーク、Memory Leak)が起こります。

ガベージコレクションのない言語では、プログラマーがコードの中に「このデータはもう使い終わったから消して」と、ひとつずつ書かなければなりません。そのうちうっかり消す命令を書き忘れたり、別のデータを消してしまったりして、プログラムが突然止まるエラーがよく起こります。

ガベージコレクタ(お掃除役のプログラム)は、定期的にメモリ領域を見まわして、片づける対象を探します。広く使われている方式では、ごみかどうかを判断する基準はとてもシンプルです。それは「今、手が届くものかどうか」です。データごとに、自分を指しているつながりの数を数えて、0になったら消す方式もあります。

プログラムの実行コードから、矢印をたどるようにつながっているデータを探していきます。これを専門用語で到達可能性(Reachability)と呼びます。いま動いているコードから、どんな道すじでもつながっていない孤立したデータがあれば、もう誰も使えない「ごみ(Garbage)」と判断して消してしまいます。

たとえばゲームでモンスターを倒すと、画面から消えたモンスターのデータは、もうどこにもつながっていません。お掃除ロボットは、このつながりが切れたモンスターのデータをそっと消して、ほかの新しいデータを入れられる空き領域に戻してくれるのです。

ガベージコレクションのおかげで、プログラマーはメモリを空けるという頭の痛い作業から解放されました。Java、Python、JavaScriptなど、多くのプログラミング言語がこの機能を標準で備えています。

とはいえ、完璧に見えるこのお掃除ロボットにも代償があります。部屋じゅうをくまなく調べてごみを探している間は、いったん作業を止めなければならない場合が多いのです。コンピュータの分野では、これを世界が止まる(Stop-the-world)と表現します。最近は、お掃除のほとんどをプログラムと同時に進めて、この停止をごく短くした方式も広く使われています。

ほんの一瞬の停止ですが、0.001秒が大事な高性能の3Dゲームや株式取引システムでは、画面がもたついたり、遅れが出たりすることがあります。そのため、最高レベルの性能と即座の反応が必要なシステム(CやC++などの言語)では、今でも人が直接メモリを管理する方式を使うことがあります。