Java 18で入ったJVM関連の（やや細かめな）改善（JJUGナイトセミナー「Java 18 リリース記念イベント」発表資料）

© 2022 NTT DATA Corporation
Java 18で入ったJVM関連の(やや細かめな)改善
2022年3月29日 JJUGナイトセミナー
株式会社NTTデータ
阪田浩一

自己紹介
• Javaチャンピオン
• OpenJDK Author
• 株式会社NTTデータ所属
• JVMがとにかく好き
© 2022 NTT DATA Corporation 2
Koichi Sakata
阪田浩一
jyukutyo

本セッションの流れ
1. Java 18でJVMに（ほんの少し）関連するJEP
2. Java 18以降でコンテナ環境でJavaを使う際に
少しうれしい変更
3. 18には入っていないがここ最近入った興味深い改善点
4. 3.の内容を使ってVector APIを深堀り
セッション時間はQ&Aを含めて30分程度です

Java 18でJVMに（ほんの少し）
関連するJEP

Java 18でJVMに（ほんの少し）関連するJEP
• JEP 416: Reimplement Core Reflection
with Method Handles
• JEP 421: Deprecate Finalization for Removal

JEP 416: Reimplement Core Reflection with Method Handles
• リフレクション機能のクラス (Method, Constructor, Field)
をメソッドハンドルを使って再実装する
» 再実装するだけで従来と振る舞いは変わらない
» マイクロベンチマークではよくある使い方の
上記のインスタンスをstatic finalフィールドに保持する
使い方であればパフォーマンスが向上する（43-57%⬆）

• 再実装する理由
1. Valhallaで言語機能の追加（value classやprimitive class）を
予定している
2. 従来のコードでは内部的に3つのコードパスがある
3. Valhallaへの対応で3つすべてを更新するのは高コストとなる
4. 現段階でメソッドハンドルを使うよう統一して備えておく

• 再実装する理由
1. Valhallaで言語機能の追加（value classやprimitive class）を
予定している
2. 従来のコードでは内部的に3つのコードパスがある
3. Valhallaへの対応で3つすべてを更新するのは高コストとなる
4. 現段階でメソッドハンドルを使うよう統一して備えておく
• ネイティブスタックフレームの使用も削減でき
Loom対応時にもメリットがある
• 振る舞いは変わらないのでアプリケーション開発者は
このJEPを調べなくてもよい

JEP 421: Deprecate Finalization for Removal
• finalize()メソッドを削除を前提とした非推奨APIに
» すでにJava 9から非推奨になっている
» 18で@Deprecated(forRemoval=true) にしたということ

JEP 421: Deprecate Finalization for Removal
• finalize()メソッドを削除を前提とした非推奨APIに
» すでにJava 9から非推奨になっている
» 18で@Deprecated(forRemoval=true) にしたということ
» 実行時オプション--finalization=enabled/disabledを追加
» 警告表示
-> オプションで指定したときのみ有効
-> 機能自体の削除
とバージョンごとに進んでいく見込み

参考：finalize()に限らず非推奨の使用を検出するツール
• jdeprscanコマンド
» Java 9から
» クラス単体だけでなくJARファイルにも使用できる

そもそもfinalize()を使ってはいけない
• みなさんは仕事のコードで使ったことがありますか？
» finalize()が適切な場面はまずない
• try-with-resources + java.lang.AutoCloseableを
使う方が良い
» Java 7で導入

そもそもfinalize()を使ってはいけない
• みなさんは仕事のコードで使ったことがありますか？
» finalize()が適切な場面はまずない
• try-with-resources + java.lang.AutoCloseableを
使う方が良い
» Java 7で導入
• 代替としてjava.lang.ref.Cleanerもある
» Java 9で導入
• 書籍『Effective Java』では
finalize()もCleanerも使わないことを推奨している
» P.30 項目8 ファイナライザとクリーナーを避ける

別件：JFRにfinalizationイベントを新設
• jdk.FinalizerStatisticsイベントを追加した
» [JDK-8266936] Add a finalization JFR event

Java 18以降で
コンテナ環境でJavaを使う際に
少しうれしい変更

コンテナ環境でのUnified Logging (ULログ)
• まずUnified Loggingとは
» JVM内部のすべてのコンポーネントで共通的に利用する
ログシステム
» Java 9から
» -Xlogオプションをつけてアプリケーションを実行すると
JVMのログを出力できる

• 各コンテナのULログを集約するケースは多くある
• ログデータ収集管理ツール (Fluent BitやLogstashなど）で
ULログを送る

• 各コンテナのULログを集約するケースは多くある
ULログを送る
• 実はULログに複数行エントリが出ることがある
» 上記ツール側でパース設定する方法もあるが…
» そもそも全エントリを必ず1行で出力してくれる方がよい

複数行エントリが出る例
class ULMultiLine {
public static void main(String... args) {
throw new NullPointerException();
}
}
# Java 17以前で実行する
$ java -Xlog ULMultiLine
（中略）
[0.035s][info][exceptions ] Exception <a 'java/lang/NullPointerException'{0x000000061fc19180}>⏎
thrown in interpreter method <{method} {0x000000013d400210} 'main' '([Ljava/lang/String;)V' in 'ULMultiLine'>⏎
at bci 7 for thread 0x00007fdb19808800 (main)

複数行エントリが出る例
class ULMultiLine {
throw new NullPointerException();
}
}
# Java 17以前で実行する
$ java -Xlog ULMultiLine
（中略）
[0.035s][info][exceptions ] Exception <a 'java/lang/NullPointerException'{0x000000061fc19180}>⏎
thrown in interpreter method <{method} {0x000000013d400210} 'main' '([Ljava/lang/String;)V' in 'ULMultiLine'>⏎
at bci 7 for thread 0x00007fdb19808800 (main)
パースが必要となる

ULに新オプションを導入した
• ULのoutput-optionsにfoldmultilines=trueを指定すると
ULログのエントリをつねに1行で出力する
» 参考：ULログの設定方法
-Xlog:[[selections]:[output]:[decorators]:[output-options]]
• []は省略可能を意味する

ULに新オプションを導入した
• ULのoutput-optionsにfoldmultilines=trueを指定すると
ULログのエントリをつねに1行で出力する
» 参考：ULログの設定方法
-Xlog:[[selections]:[output]:[decorators]:[output-options]]
• []は省略可能を意味する
» [JDK-8271186] Add UL option to replace newline char
» [JDK-8273471] Add foldmultilines to UL for stdout/err
# Java 18で実行する
$ java -Xlog::::foldmultilines=true ULMultiLine
（中略）
[2.107s][info][exceptions ] Exception <a 'java/lang/NullPointerException'{0x000000061f89a330}>n thrown
in interpreter method <{method} {0x000000012e011230} 'main' '([Ljava/lang/String;)V' in 'ULMultiLine'>n at bci 7
for thread 0x00007fc0b800ce10 (main)

• 各コンテナのULログを集約するケース
ULログを送る
• foldmultilines=trueが追加されてULログの収集が
より簡便になった

18には入っていないが
ここ最近入った興味深い改善点

HSDISの改善
• 直近2月3月にいくつかコミットがあった
» https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8188073
• Issueはこれ自体とその中のIssue Linksにも関連Issueがある

HSDISの改善
• 直近2月3月にいくつかコミットがあった
» https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8188073
• Issueはこれ自体とその中のIssue Linksにも関連Issueがある
• 18は昨年末にRampdownフェーズに入っている
» よって上記の内容が入るのは19になる
• 18にJVM関連の話題は少ない上
これが今後話題になる機会は限りなく少ないので
今日話します

そもそもHSDISとは何か
• HotSpot Disassembler
» ディスアセンブラ、逆アセンブラ
» JITコンパイラが生成した機械語をアセンブリ言語にする
» OpenJDKのソースコードに含まれるツールの1つ

JITコンパイル
• JVMにあるJITコンパイラはアプリケーション実行中にJava
バイトコードを機械語にコンパイル[1]する
[1] javacでのコンパイルとはまったく別のものです
Javaバイトコードプロファイル情報
機械語
JITコンパイラによるJITコンパイル

HSDISでのディスアセンブル
• 機械語は0と1の羅列のため人を超えなければ読めない
• HSDISで機械語をアセンブリ言語に
ディスアセンブルすることで人は読める（こともある）
Javaバイトコード
機械語
HSDISでディスアセンブル
アセンブリ言語

何のためにHSDISを使うのか
• 機械語は0と1の羅列のため人を超えなければ読めない
• HSDISで機械語をアセンブリ言語に
ディスアセンブルすることで人は読める（こともある）
» JITコンパイラが生成したコードを確認できる
• 特定のメソッドがコンパイルされているかを確認したい場合がある
» とくに想定するCPUの命令を使っているかを確認したいとき
• 特定箇所にパフォーマンスに問題があるとき
• 実行時オプションにたとえばUseAVXなどを指定したとき

どんな改善点なのか
• （以前の）別ディレクトリでビルドするのではなく
OpenJDK本体と同じようにビルドできるようになった
• ディスアセンブルのバックエンドにGNU Binutilsだけで
なくLLVMとCapstoneも使えるようになった
» LLVM Compiler Infrastructure
» The Ultimate Disassembly Framework – Capstone

HSDISの以前のビルド手順
• OpenJDKでsrc/utils/hsdisディレクトリへ移動する
• GNU Binutilsの比較的新しいバージョンを入手する
» ダウンロードして解凍する

HSDISの以前のビルド手順
• OpenJDKでsrc/utils/hsdisディレクトリへ移動する
• GNU Binutilsの比較的新しいバージョンを入手する
» ダウンロードして解凍する
• make BINUTILS=[Binutilsディレクトリ] ARCH=amd64
» src/utils/hsdis/build/macosx-amd64/hsdis-amd64.dylib (macOS)
» linuxはSOファイル、WindowsはDLLファイルができる

HSDISの新しいビルド手順
• OpenJDKのルートディレクトリへ移動する
• バックエンドを準備する
» パッケージマネージャーでインストールする
• brew install llvm capstone
» Binutilsはソースコードのみでも可

HSDISの新しいビルド手順
• OpenJDKのルートディレクトリへ移動する
• バックエンドを準備する
» パッケージマネージャーでインストールする
• brew install llvm capstone
» Binutilsはソースコードのみでも可
• OpenJDKと一緒にビルドする場合のコマンド例
» bash configure --enable-hsdis-bundling --with-hsdis=llvm
• 必要に応じて--with-llvm, -with-capstone, --with-binutils-src,
--with-binutilsで場所を指定できる
» make images
• 18では使用できない（masterブランチ、19系タグは🆗）

HSDISの新しいビルド手順 2
• HSDIS単体のビルドする場合のコマンド例
» bash configure --with-hsdis=binutils
--with-binutils-src=[binutilsディレクトリ]
» make build-hsdis

HSDISの新しいビルド手順 2
» make build-hsdis
• build/macosx-x86_64-server-release/support/hsdis/
といったディレクトリにHSDISのファイルを出力する
• 以前のようにディレクトリを移動せず生成でき
ビルドがより簡単になった

Java 18でも新しい方法が使える？
» make build-hsdis
• 18では上記コマンドを実行できるが
動作が不完全である
» タグjdk-18+gaで動作確認済
» HSDISのファイル（hsdis-amd64.so/dylib）が生成されない
» masterブランチでは前スライドの通り生成できる

デモ：HSDIS単独のビルド

HSDISのファイルはどうやって使うの？
• ファイルを$JAVA_HOME/lib/serverに置く
» Java 8までは$JAVA_HOME/jre/lib
• オプションをつけてjavaコマンドを実行する
» -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly

デモ：アセンブリ出力確認

デモ：アセンブリ出力確認
• 全JITコンパイルが出る
» 対象メソッドを絞りたい場合は
1. コンパイラコントロールを使う（Java 9から）
2. -XX:CompileOnlyオプションを使う

バックエンドによって出力が異なる？
LLVM Capstone

今日を迎える直前に直っていました
Capstone
https://github.com/openjdk/jdk/pull/7904

Vector APIをHSDISで
見てみよう

Vector API
• https://openjdk.java.net/jeps/417
• 18で3rd Incubator

Vector API
• https://openjdk.java.net/jeps/417
• 18で3rd Incubator
• Vector APIではJITコンパイル時にCPUアーキテクチャがサ
ポートするベクトル命令を使用する機械語を生成する
» SIMD命令
• x86ではSSE, AVX, AVX2, AVX-512
• ARMではNeon, Scalar Vector Extension（SVE）
• 本当にベクトル命令を使えているのかを見たい
» HSDISを使って確認できる

Vector API使用サンプルコード
import jdk.incubator.vector.*;
class VectorAPISample {
public static float[] dummyVar;
float[] left = new float[] {0.0F,1.0F,1.5F,2.0F,0.0F,1.0F,1.5F,2.0F};
float[] right = new float[] {10.0F,11.0F,11.5F,12.0F,100.0F,101.0F,101.5F,102.0F};
var fva = new FloatVectorAddition();
for (int i = 0; i < 500_0000; i++) {
dummyVar = fva.add(left, right);
}
}
}
floatが8つある配列
32ビット * 8 = 256ビット

Vector API使用サンプルコード
import jdk.incubator.vector.*;
class FloatVectorAddition {
public float[] add(float[] left, float[] right) {
VectorSpecies<Float> species = FloatVector.SPECIES_256;
FloatVector l = FloatVector.fromArray(species, left, 0);
FloatVector r = FloatVector.fromArray(species, right, 0);
var lr = l.add(r);
float[] res = new float[8];
lr.intoArray(res, 0);
return res;
}
}
256ビット分を
一度に計算する指定
0 1 1.5 2 0 1 1.5 2
10 11 11.5 12 100 101 101.5 102
10 11 13 14 100 102 103 104
一気に加算

$ javac --add-modules jdk.incubator.vector VectorAPISample.java
$ java -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly --add-modules
jdk.incubator.vector VectorAPISample （実際は1行）
• Vector APIはIncubatorモジュール
» コンパイル時、実行時ともに--add-modulesでモジュール名を
指定する必要がある
• アセンブリの出力にSIMD命令があるかを見る
Vector API使用サンプル実行

vaddpsは単精度浮動小数点のベクトル加算演算
ymmレジスタを使っている
SIMDレジスタ (Intel)
• xmm (128ビット)
• ymm (256ビット)
• zmm (512ビット)

HSDISだけを取ってもまだまだ進化している
• バックエンドにLLVMやCapstoneが入ったのは
最近なのでコントリビュートする機会が見つかるかも
» アセンブリなのでCPUアーキテクチャで違いも

このセッションのまとめ
• Java 18ではJVM関連の大きな変更点はない
• ValhallaやLoomの準備として内部実装を改善している
• finalize()は9から非推奨、18で削除予定ステータスに
• Unified Loggingのエントリをすべて1行で出せる
ようになった
• HSDISのビルド手順を改善している
• Vector APIがCPUのSIMD命令を使っていることを
HSDISで確認できる

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