[JAVA] GC(Garbage Collection) 톺아보기

GC(Garbage Collector) 란 무엇인가?

•  자바는 객체를 생성하는 new 연산자는 있지만 객체를 소멸시키는 연산자는 없다.

   ◦  개발자가 직접 객체를 소멸시킬 수 없다.

•  객체를 소멸시킨다는 것의 의미는, new에 의해 생성된 객체가 차지하고 있던 공간을 JVM에게 돌려주어
     다시 사용할 수 있는 메모리 영역으로 만들어 준다는 것을 의미한다.

•  new로 할당받은 이후 사용하지 않게 된 객체 혹은 배열 메모리를 Garbage 라고 부른다.

•  이러한 Garbage를 정리하는것이 Garbage Collector의 역할이며, 적절한 시점에 자동으로 Garbage를 수집하여
     가용 메모리에 반환한다.
   ◦  GC의 스케줄링은 JVM에서 관리한다.

•  객체는 Heap 영역에 저장되고, Stack 영역에 이를 가리키는 주소값이 저장된다.

•  Heap 영역에는 존재하지만 Stack영역에서 해당 객체를 가리키는 주소값이 없는 객체를 ‘참조되지 않는
     (자신을 가리키는 포인터가 없는, unreachable)객체’ 라고 이야기한다.

•  GC는 해당 객체를 더 이상 사용되지 않는 객체라고 간주하여 이를 메모리에서 제거한다.

 

 

GC 의 필요성

•  GC가 없다면?

   ◦  C/C++ 언어처럼 일일이 메모리 해제를 해줘야 한다.

 

•  메모리 해제를 해주지 않는다면?

   ◦  코드가 돌아갈수록 메모리 가용 공간을 하나씩 차지함에 따라, 속도 등의 프로그램 성능이 매우 악화된다.

 

•  개발자가 직접 메모리 해제가 가능한 C++ 언어에서도 GC 기능을 제공한다.

   ◦  메모리 관리에 있어서 프로그래머의 부담을 덜어주기 때문.

         -  메모리 관리를 프로그래머가 직접 할 수 있지만, 부담이 크고 생산성이 떨어진다.

   ◦  new와 delete 만으로는 이룰 수 없는 무언가가 있다 → 메모리 파편화 현상

         -  new와 delete를 반복하면서 heap메모리에 사용하는 메모리와 사용하지 않는 메모리가 듬성듬성 위치하는 현상으로,
            메모리 사용 효율 저하의 원인이 된다.

         -  GC는 힙을 직접 관리하기 때문에 메모리 파편화 현상을 일정부분 해결할 수 있다.

         -  GC가 동작하는 동안 사용하지 않는 메모리를 정리하면서 힙 메모리의 빈부분을 최적화 할 수 있음

 

 

GC의 종류

Serial GC

•  GC를 처리하는 스레드가 1개

•  CPU 코어가 1개만 있을 때 사용하는 방식이다.

•  Mark-Compact collection 알고리즘을 사용해 GC를 실행한다.

 

Parallel GC

•  GC를 처리하는 스레드가 여러개

•  Serial GC보다 빠르게 객체 처리가 가능하다.

•  메모리가 충분하고 코어의 개수가 많을 때 사용하면 좋다.

 

Concurrent Mark Sweep GC(CMS GC)

•  Stop-The-World

   ◦  GC를 실행하기 위해 JVM이 애플리케이션 실행을 멈추는 것

   ◦  stop-the-world가 발생하면 GC를 실행하는 스레드를 제외한 나머지 스레드는 모두 작업을 멈춤

   ◦  GC 작업을 완료한 이후에 중단한 작업을 다시 시작

•  CMS GC는 stop-the-world 시간이 짧다.

• 애플리케이션의 응답 시간이 빨라야 할 때 유용하다.

• 다른 GC 방식보다 메모리와 CPU를 더 많이 사용한다.

• Compaction 단계가 제공되지 않는다.

 

G1 GC

• 각 영역을 Region 영역으로 나눈다.

• GC가 일어날 때, 전체 영역(Eden, Survivor, Old generation)을 탐색하지 않는다.

• 바둑판 각 영역에 객체를 할당하고 GC를 실행한다.

• 해당 영역이 꽉 차면 다른 빈 영역에 객체를 할당하고 GC 실행한다.

• stop-the-world 시간이 짧다.

• Compaction 단계를 제공한다.

 

Z GC

• 확장 가능하고 낮은 지연율(low latency)을 가진 GC

   ◦  정지 시간이 최대 10ms를 초과하지 않는다.

• Heap의 크기가 증가하더라도 정지 시간이 증가하지 않는다.

   ◦  8MB~16TB에 이르는 다양한 범위의 Heap 처리가 가능하다.

• Stop-The-World 정지 시간을 줄이거나 없앰으로써 애플리케이션의 성능 향상에 기여한다.

   ◦  ZGC의 주요 원리는 Load barrier와 Colored Pointer를 함께 사용하는 것

   ◦  이를 통해 Thread가 동작하는 중간에도 객체 재배치 같은 작업을 수행할 수 있다.

• Z GC는 메모리를 Z Pages라고 불리는 영역으로 나눈다.

   ◦  ZPages는 동적 사이즈(G1 GC와 다름)로 2MB의 배수가 동적으로 생성 및 삭제될 수 있다.

 

 

GC의 장단점

• 장점 : 편리성

   ◦  개발자가 동적으로 할당된 메모리 전체를 관리할 필요가 없다.

   ◦  유효하지 않은 포인터에 접근하거나 이미 한번 해제한 메모리를 또 해제하는 등의 버그를 피할 수 있다.

 

• 단점 : 예측 불가능성

   ◦  가비지 컬렉션이 수행되는 정확한 시점을 알 수가 없다.

         -  프로그램이 예측 불가능하게 일시 정지 될 수 있기 때문에, 실시간 시스템에는 적합하지 않다.

   ◦  가비지 컬렉션이 실행될 때는 반드시 애플리케이션을 중지시키는 Stop The World 가 수행되는데,
        이는 성능 저하의 원인이 될 수 있는 Overhead 를 일으킨다.

 

 

GC의 메모리 수거 방식

• 앞에서 정리했듯이, GC는 동적으로 할당한 메모리 영역 중 사용하지 않는 영역을 탐지하여 해제한다.

   ◦  Stack : 정적으로 할당한 메모리 영역

         -  원시 타입의 데이터 값과 함께 할당, Heap영역에 생성된 Object 타입의 데이터 참조 값 할당

   ◦  Heap : 동적으로 할당한 메모리 영역

         -  모든 Object 타입의 데이터가 할당, Heap영역의 Object를 가리키는 참조 변수가 Stack에 할당

 

• Heap에 저장된 객체를 Stack에서 참조하고 있는지 어떻게 확인할까? : Mark and Sweep

   ◦  가비지 컬렉터가 Stack의 모든 변수를 스캔하면서, 각각 객체를 참조하고 있는지 확인 후 마킹한다 (Mark)

   ◦  Reachable Object가 참조하고 있는 객체도 찾아서 마킹한다 (Mark)

   ◦  마킹되지 않은 객체를 Heap에서 제거한다 (Sweep)

→ JVM의 Heap 영역은 GC관점에서 다시 위의 3가지(4가지) 영역으로 구분될 수 있다.

 

Eden

• 새로운 객체가 할당되는 영역

• Eden 영역의 메모리가 전부 사용중인 경우 GC 발생 (Minor GC)

 → Eden 영역에서 Mark and Sweep

 

S0(Survivor 0)

• Eden 영역의 Reachable 객체가 S0 영역으로 옮겨짐

• Eden 영역의 Unreachable 객체는 메모리에서 해제

• S0 영역의 메모리가 전부 사용중인 경우 GC 발생 (Minor GC)

 → S0 영역에서 Mark and Sweep

 

S1(Survivor 1)

• S0 영역에 있던 객체는 S1 영역으로 이동

• 이동한 객체는 Age 값 증가

• Eden 영역의 Reachable 객체가 S1 영역으로 옮겨짐

• Eden 영역의 Unreachable 객체는 메모리에서 해제

• S1 영역의 메모리가 전부 사용중인 경우 GC 발생 (Minor GC)

 → S1 영역에서 Mark and Sweep

 

S0(Survivor 0)

• S1 영역에 있던 객체는 S0 영역으로 이동

• 이동한 객체는 Age 값 증가

• Eden 영역의 Reachable 객체가 S0 영역으로 옮겨짐

• Eden 영역의 Unreachable 객체는 메모리에서 해제

• S0 영역의 메모리가 전부 사용중인 경우 GC 발생 (Minor GC)

 → S0 영역에서 Mark and Sweep

 

위의 과정을 계속 반복한다

 

Old Generation

• Age 값이 특정 값 이상이 되면 Old Generation 영역으로 이동

   ◦  이 과정을 'Promotion' 이라고 한다.

   ◦  Old Generation 영역이 모두 사용중인 경우 GC 발생 (Major GC)

→ Old Generation 영역에서 Mark and Sweep

 

위의 과정 또한 계속 반복된다

 

• 만약 Young(New) Generation 영역과 Old Generation 영역이 모두 사용중인 경우 GC 발생 (Full GC)

→ 전체 영역에서 Mark and Sweep

 

S0 영역과 S1 영역 중 한쪽은 반드시 비어있다.

 

Permanent Generation

• 해당 영역은 GC의 관리영역이 아니다.

• JVM이 애플리케이션에서 사용하는 클래스 및 메소드를 설명하는 데 필요한 메타데이터를 포함하는 영역

• 애플리케이션에서 사용 중인 클래스에 기반하여, 런타임에 JVM에 의해 채워진다.

• Java SE 라이브러리 클래스 및 방법을 여기에 저장할 수 있다.

 

 

참고자료

[JAVA] 가비지 컬렉터(Garbage Collector)