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[Java] Garbage Collection(GC, 가비지 컬렉션) 본문
Garbage Collection이란?
프로그램을 개발 하다 보면 더 이상 사용되지 않는 메모리인 가비지가 발생하게 됩니다.
C언어에서는 개발자가 직접 메모리 해제를 해줘야 했지만 Java나 Kotlin을 이용해 개발을 하면
개발자가 직접 해제 하지 않습니다. JVM의 가비지 컬렉터가 불필요한 메모리를 알아서 정리 해주기 때문입니다.
따라서 가비지 컬렉션은 동적으로 할당했던 메모리 영역 중 필요 없게 된 메모리 영역을 주기적으로 삭제하는 프로세스를 말합니다.
가비지 컬렉터가 메모리 관리를 대행 해주기 때문에 개발자 입장에서 메모리 관리, 메모리 누수(Memory Leak) 문제의 대해
완벽하게 관리하지 않아도 되어 개발에만 집중할 수 있다는 장점이 있습니다.
Garbage란
더 이상 사용되지 않는 메모리 공간을 가비지라고 할 수 있습니다 그렇다면 사용되지 않는 메모리 공간이란 어떤 것인지
코드로 확인하겠습니다.
Person person = new Person("Dave");
person.sayHello();
person = new Person("Eric");
person.sayHello();코드를 보면 Dave라는 이름의 Person 객체가 생성되고 Eric이라는 이름의 Person 객체가 생성됩니다.
그림으로 보면
Dave 객체가 생성된 이후 person 변수에 의해 참조 됩니다. 이ㄷ 때는 가비지가 없습니다. 하지만 그 후
Eric 객체가 생성되고 person 변수가 새로 생성된 Eric 객체를 참조하게 됩니다.
Dave 객체를 참조하던 변수가 사라졌으므로 어떤한 경로로도 참조되지 않기 때문에 Unreachable 상태라고 하며
이 객체는 가비지로 판단되어 회수 당하게 됩니다. 가비지 컬렉션을 수행하는 가비지 컬렉터는 스택 변수로 부터 참조 체인을 통해
도달할 수 없는(Unreachable) 객체들을 가비지로 판단하고, 이 객체들의 메모리 공간을 회수합니다.
GC의 단점
- 개발자가 메모리가 언제 해제되는지 정확하게 알 수 없다.
- 가비지 컬렉션이 동작하는 동안에는 다른 동작을 멈추기 때문에 오버헤드가 발생한다.
가비지 컬렉션에는 위와 같은 대표적인 단점이 존재합니다.
gc가 동작하는 동안에는 JVM의 다른 동작들은 잠깐 멈추기 때문에 오버헤드가 발생합니다.
이로 인해 gc가 너무 자주 실행되면 소프트웨어 성능 하락의 문제가 되기도 합니다.
Minor GC와 Major GC
JVM의 Heap영역은 처음 설계될 때 다음의 2가지를 전제(Weak Generational Hypothesis)로 설계되었습니다.
- 대부분의 객체는 금방 접근 불가능한 상태(Unreachable)가 된다.
- 오래된 객체에서 새로운 객체로의 참조는 아주 적게 존재한다.
즉, 객체는 대부분 일회성되며, 메모리에 오랫동안 남아있는 경우는 드물다는 것입니다.
그렇기 때문에 객체의 생존 기간에 따라 물리적인 Heap 영역을 나누게 되었고 Young, Old 총 2가지 영역으로 설계되었습니다.
초기에는 Perm 영역이 존재하였지만 Java8부터 제거되었습니다.
- Young 영역(Young Generation)
- 새롭게 생성된 객체가 할당(Allocation)되는 영역
- 대부분의 객체가 금방 Unreachable 상태가 되기 때문에, 많은 객체가 Young 영역에 생성되었다가 사라진다.
- Young 영역에 대한 가비지 컬렉션(Garbage Collection)을 Minor GC라고 부른다.
- Old 영역(Old Generation)
- Young영역에서 Reachable 상태를 유지하여 살아남은 객체가 복사되는 영역
- Young 영역보다 크게 할당되며, 영역의 크기가 큰 만큼 가비지는 적게 발생한다.
- Old 영역에 대한 가비지 컬렉션(Garbage Collection)을 Major GC 또는 Full GC라고 부른다.
Garbage Collection의 동작 방식
1. Stop The World
Stop The World는 가비지 컬렉션을 실행하기 위해 JVM이 애플리케이션의 실행을 멈추는 작업입니다. GC가 실행될 때는 GC를 실행하는 쓰레드를 제외한 모든 쓰레드들의 작업이 중단되고, GC가 완료되면 작업이 재개됩니다. 당연히 모든 쓰레드들의 작업이 중단되면 애플리케이션이 멈추기 때문에, GC의 성능 개선을 위해 튜닝을 한다고 하면 보통 stop-the-world의 시간을 줄이는 작업을 하는 것입니다. 또한 JVM에서도 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 실행 옵션을 제공하고 있습니다.
2. Mark and Sweep
- Mark: 사용되는 메모리와 사용되지 않는 메모리를 식별하는 작업
- Sweep: Mark 단계에서 사용되지 않음으로 식별된 메모리를 해제하는 작업
Stop The World를 통해 모든 작업을 중단시키면, GC는 스택의 모든 변수 또는 Reachable 객체를 스캔하면서 각각이 어떤 객체를 참고하고 있는지를 탐색하게 됩니다. 그리고 사용되고 있는 메모리를 식별하는데, 이러한 과정을 Mark라고 합니다. 이후에 Mark가 되지 않은 객체들을 메모리에서 제거하는데, 이러한 과정을 Sweep라고 합니다.
Minor GC의 동작 방식
Minor GC를 정확히 이해하기 위해서는 Young 영역의 구조에 대해 이해를 해야 합니다.
Young 영역은 1개의 Eden 영역과 2개의 Survivor 영역, 총 3가지로 나뉘어집니다.
- Eden 영역: 새로 생성된 객체가 할당(Allocation)되는 영역
- Survivor 영역: 최소 1번의 GC 이상 살아남은 객체가 존재하는 영역
객체가 새롭게 생성되면 Young 영역 중에서도 Eden 영역에 할당(Allocation)이 된다. 그리고 Eden 영역이 꽉 차면 Minor GC가 발생하게 되는데, 사용되지 않는 메모리는 해제되고 Eden 영역에 존재하는 객체는 (사용중인) Survivor 영역으로 옮겨지게 됩니다.
Survivor 영역은 총 2개이지만 반드시 1개의 영역에만 데이터가 존재해야 하는데, Young 영역의 동작 순서를 자세히 살펴보겠습니다.
- 새로 생성된 객체가 Eden 영역에 할당된다.
- 객체가 계속 생성되어 Eden 영역이 꽉차게 되고 Minor GC가 실행된다.
- Eden 영역에서 사용되지 않는 객체의 메모리가 해제된다.
- Eden 영역에서 살아남은 객체는 1개의 Survivor 영역으로 이동된다.
- 1~2번의 과정이 반복되다가 Survivor 영역이 가득 차게 되면 Survivor 영역의 살아남은 객체를 다른 Survivor 영역으로 이동시킨다.(1개의 Survivor 영역은 반드시 빈 상태가 된다.)
- 이러한 과정을 반복하여 계속해서 살아남은 객체는 Old 영역으로 이동(Promotion)된다.
객체의 생존 횟수를 카운트하기 위해 Minor GC에서 객체가 살아남은 횟수를 의미하는 age를 Object Header에 기록합니다.
그리고 Minor GC 때 Object Header에 기록된 age를 보고 Promotion 여부를 결정합니다.
또한 Survivor 영역 중 1개는 반드시 사용이 되어야 합니다. 만약 두 Survivor 영역에 모두 데이터가 존재하거나, 모두 사용량이 0이라면 현재 시스템이 정상적인 상황이 아님을 파악할 수 있습니다.
Major GC의 동작 방식
Young 영역에서 오래 살아남은 객체는 Old 영역으로 Promotion됨을 확인할 수 있습니다.
그리고 Major GC는 객체들이 계속 Promotion되어 Old 영역의 메모리가 부족해지면 발생하게 됩니다.
Young 영역은 일반적으로 Old 영역보다 크키가 작기 때문에 GC가 보통 0.5초에서 1초 사이에 끝납니다.
그렇기 때문에 Minor GC는 애플리케이션에 크게 영향을 주지 않습니다.
하지만 Old 영역은 Young 영역보다 크며 Young 영역을 참조할 수도 있습니다.
그렇기 때문에 Major GC는 일반적으로 Minor GC보다 시간이 오래걸리며, 10배 이상의 시간을 사용합니다.
참고 자료
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