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개요

GC, 가비지 컬렉션은 메모리 관리 기법 중 하나이다.

실제 C 에서 동적할당하기 위해서는 malloc 을 사용하며 개발자는 free 메서드를 통해 명시적으로 메모리를 꼭 해제해주어야한다. 그 이유는 C 언어에 Garbage Collector 가 없기 때문이다.

그럼 Java 에서 메모리를 할당하고 해제한 경험이 있는가? 아마 대부분은 없을 것이다. 이는 Java 에서 GC 가 존재하기에 언어 자체적으로 메모리 누수를 막아주기 때문이다.

그렇다면 Java 에서는 메모리 누수에 대해 걱정할 필요가 없는가??

GC

GC 알고리즘

Reference Counting

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루트 스페이스에 대해 먼저 설명하자면 이는 스택 변수, 전역 변수 등 heap 영역 참조를 담은 변수이다. 실제 heap 공간에 존재하는 변수들을 참조하는 변수라는 뜻이다. 모든 heap 변수들은 루트 스페이스와 이어져있어야 실제 참조가 가능하다. 그 뜻은 GC 는 루트 스페이스에서 연결되지 않은 heap 객체들을 삭제할 필요가 있다는 뜻이다.

Reference Counting 은 GC 를 진행하는 실제 알고리즘 중 하나이다. 각 객체들은 가장 앞단에 해당 객체가 몇 가지 방법으로 참조될 수 있는 지 기록한 int 값을 가지고 있다. 해당 값이 0 이라면 참조될 수 있는 방법이 존재하지 않기에 삭제할 수 있다.

하지만 이 방법에서는 순환 참조를 구별해내지 못한다. 만약 루트 스페이스에서 참조할 수 없지만 두 객체가 서로를 참조하고 있다면 각 int 값은 1로 삭제되지 않을 것이다. 이는 분명히 삭제되어야할 객체를 삭제하지 못하는 허점이다.

Mark and Sweep

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다음 방법으로는 Mark and Sweep 가 존재한다.

우선 GC 는 루트 스페이스로부터 접근 가능한 객체와 불가능한 객체를 구분해낸다. 이후 실제 접근 가능한 객체만을 남기고 나머지 객체는 삭제한다.

추가적으로 객체들을 Heap 영역에서 Compaction 도 가능하다. 이를 통해 메모리 파편화도 방지할 수 있다.

JVM 의 GC

실제 JVM 에서 GC 동작에 대해서 알아보자.

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위 그림이 실제 Heap 영역을 사용하는 방식이다.

Heap 영역은 크게 Young Generation, Old Generation 으로 나뉜다.

Young Generation

Young Generation (이하 YG) 는 또 3가지 영역으로 나뉜다.

  1. Eden
    • 새로운 객체가 할당되는 곳
    • 해당 영역이 가득차면 minor GC 를 실행하게 되고 Unreachable 객체들을 삭제하고 Reachable 객체들을 Survival 로 옮긴다.
  2. Survival 0
    • Survival 영역은 0 과 1 중 한 곳은 반드시 비어있어야한다.
    • 또한 해당 영역에 존재하는 객체들은 age-bit 를 가지고 있다.
  3. Survival 1
    • minor GC 가 다시 일어나면 Reachable 객체들과 기존 Survival 0 에 존재하는 객체들을 Survival 1 로 이동시킨다.
    • 이때 age-bit 를 +1 한다.
    • 그러면 Survival 0 은 비어있는 상태이고 minor GC 가 일어날 때 해당 작업을 반복한다.

정리하자면 minor GC 는 Eden 에 새로운 객체들로 가득 찼을 때 실행되며 Reachable 객체들을 기존 Survival 에 존재하는 객체들과 함께 다른 Survival 로 옮긴다.

그리고 유지하던 age-bit 는 일정 수준이 넘어가면 해당 객체를 Old Generation 으로 이동시키는 역할을 한다. 이를 Promotion 이라 칭한다.

실제 Java 8 에서 parallel GC 기준으로 age-bit 의 수준은 15로 설정되어있다.

Old Generation

age-bit 를 통해 Old Generation 으로 넘어온 객체들이 가득 차면 여기서는 major GC 가 발생한다. 이때 major GC 는 minor 보다 훨씬 많은 시간이 소요된다.

이렇게 하는 이유가 뭘까?

대부분의 객체들은 수명이 짧기 때문이다.

항상 모든 객체들을 GC 하는 것이 아니라 수명이 짧은 객체와 수명이 긴 객체를 나누어 GC 를 실행시켜 성능을 높이고자 하였다.

Stop The World

GC 를 실행하기 위해서는 JVM 이 어플리케이션의 실행을 멈춰야한다. 이를 Stop The World 라 표현하며 이는 성능에 직결되는 문제이다. Stop 시간이 1초를 넘어간다면 DB 커넥션에 문제가 생길 수 있고 GC 가 직접적인 에러의 원인이 될 수 있다.

Serial GC

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하나의 스레드로 GC 를 실행하는 방법이다. Stop 시간이 길 수 밖에 없다.

싱글 스레드 환경이나 Heap 이 매우 작을 때 사용할 수 있다.

Parallel GC

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딱 봐도 여러 개의 스레드로 GC 를 실행하며 짧은 Stop 시간을 가진다.

실제 Java 8 의 default GC 방식이다.

CMS GC

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Stop 시간을 최소화하기 위한 고민이 담겨있다. Mark 후에 대부분의 GC 작업을 Application 과 함께 진행한다는 특징이 있다.

하지만 CPU 와 메모리 등의 자원 사용량이 높고 Mark and Sweep 과정 이후 Compaction 이 기본적으로 제공되지 않는다.

G1 GC

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Garbage First 라는 뜻이다. Heap 을 일정 크기로 잘라서 영역들을 YG, OG 로 사용하는 방법이다.

런타임에 GC 가 YG, OG 의 영역 개수를 튜닝함으로써 가장 적은 Stop 시간을 가질 수 있었다.

Java 9 이상부터는 G1 GC 를 Deault GC 로 가진다.

추가

Java 의 이면에서 GC 는 누수된 메모리를 열심히 제거해주고 있었다. 실제 성능을 우선시한다면 직접 메모리 관리를 하거나 GC 튜닝도 가능하다.

실제 GC 튜닝은 Heap 의 크기, YG와 OG 의 비율, GC 실행 방식 등을 설정할 수 있음을 참고해두자.

참고

[10분 테코톡] 🤔 조엘의 GC

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