[Java] 가비지 컬렉션(Garbage Collection, GC)이란 무엇일까요?

 

 

🤔 가비지 컬렉션, GC?

자바의 메모리 관리 방법으로, JVM(자바 가상 머신)의 Heap영역에서 동적으로 할당했던 메모리 중 필요 없게 된 메모리 객체(Garbage)를 모아 주기적으로 제거하는 프로세스를 말합니다.

 

C, C++ 같은 언어는 GC가 없기 때문에 개발자가 직접 메모리 할당과 해제를 해주어야 합니다.

하지만 자바는 개발자가 직접 해제하지 않고 GC에 의해 메모리를 관리하기 때문에 개발에만 집중할 수 있다는 장점이 있습니다.

 

GC는 메모리를 자동으로 관리해주지만, 메모리가 언제 해제되는지 정확하게 알 수 없어 제어하기가 힘듭니다.

또한 GC가 동작하는 동안에는 다른 동작을 멈추기 때문에 오버헤드가 발생되는 문제가 있습니다.

이러한 점들로 상황에 따라 프로그램의 성능이 하락시킬 수 있어 프로그램 동작이 멈추는(Stop The world)시간을 최소화할 수 있도록 GC최적화 작업이 필요할 수 있습니다.

 

📌Stop The World

GC가 작동하는 동안 JVM이 어플리케이션의 실행을 일시적으로 멈추는 현상을 말합니다.

 

 

 

✔ GC는 어떤 객체를 Garbage로 판단할까요?

💡 Reachability(도달 가능성)

GC는 Reachability라는 개념을 통해 객체가 메모리에서 제거되기 전에 해당 객체가 더 이상 사용되지 않는지를 판단합니다.

 

객체가 직접적인 참조(Reference)가 존재한다면 즉 Reachable하다면 해당 객체는 메모리에서 제거되지 않습니다.

반대로 객체가 참조되고 있지 않은 상태라면 즉 Unreachable 하다면 GC의 대상이 되어 메모리에서 제거됩니다.

 

 

위 그림처럼 JVM의 Heap Area에는 실질적인 객체가 생성되고 Method Area, Stack Area에서는 그 객체를 참조하고 있습니다.

Heap Area의 A객체와 B객체는 참조되고 있습니다, 즉 Reachable 하기 때문에 GC의 대상이 되지 않습니다.

하지만 특정 동작으로 참조 변수가 삭제되는(C가 삭제) 이벤트가 발생한다면 Heap Area의 C 객체는 참조되고 있지 않게 됩니다, 즉 Unreachable 하게 되어 GC에의 대상으로 판단하여 메모리에서 제거됩니다.

 

 

 

✔GC는 객체를 어떻게 메모리에서 제거할까요?

💡 Mark and Sweep

GC는 Mark and Sweep라는 과정을 통해 GC의 대상이 되는 객체를 식별(Mark) 하고 제거(Sweep)합니다.

그 후 채움(Compaction)을 통해 파편화된 메모리 영역을 앞에서부터 채워 나갑니다.

 

Mark : Root Space로부터 그래프 순회를 통해 연결된 객체들을 찾아내어 각각 어떤 객체를 참조하고 있는지 마킹합니다.

Sweep : 참조하고 있지 않은 객체 즉 Unreachable 객체들을 Heap Area에서 제거합니다.

Compaction : Sweep이후 분산된 객체들을 Heap의 시작 주소로 모아 메모리가 할당된 부분과 그렇지 않은 부분으로 압축합니다.

 

 

 

✔ GC의 동작 과정과 종류

💡 Heap 메모리 구조

Heap영역은 처음 설계될 때 2가지를 전제로 설계되었습니다.

1. 대부분의 객체는 금방 접근 불가능한 상태(Ureachable)가 된다.

2.  오래된 객체에서 새로운 객체로의 참조는 아주 적게 존재한다.

 

이러한 전제로 JVM개발자들은 보다 효율적인 메모리 관리를 위해, 객체의 생존기간에 따라 물리적인 Heap영역을 나누게 되었고 Young 과 Old 총 2가지 영역으로 설계하였습니다.

 

🔎 Young Generation

Eden : new를 통해 새로 생성된 객체가 위치합니다.

Survivor

Eden영역에 데이터가 가득 차면 Garbage Collection이 발생하고, Eden영역에 있던 살아남은 객체가 Survivor1 또는 2로 옮겨지고, 두 개의 Survivor영역 중 하나의 영역이 가득 차게 되면 공간이 남아 있는 Survivor영역으로 이동하게 됩니다.

( 이러한 메커니즘으로 Survivor1 또는 Survivor2 둘 중 하나는 항상 비어있는 공간으로 유지됩니다. )

 

이러한 과정에서 1차 GC라고 불리는 Minor GC가 발생합니다.

💡 Minor C

Young Generation영역에서 발생하는 GC로 Eden영역 또는 Survivor영역에서 사용되지 않는 객체들을 삭제합니다.

Young Generation의 공간은 Old Generation에 비해 상대적으로 작기 때문에 메모리 상의 객체를 찾아 제거하는데 적은 시간이 걸리며, 이 때문에 Young Generation영역에서 발생되는 GC를 Minor GC라고 불립니다.

 

 

 

🔎 Old Generation

Survivor1과 Survivor2영역을 오가는 과정에서 오랫동안 살아남은 객체들은 Old Generation 영역으로 이동합니다.

 

🤔 얼마나 오랫동안 살아남아야 할까?

Young Generation 영역에서 Minor GC가 발생하는 동안 얼마나 오래 살아남았는지로 판단합니다.

각 객체는 Minor GC에서 살아남은 횟수를 기록하는 age bit를 가지고 있으며, Minor GC가 발생할 때마다 age bit값은 1씩 증가하게 됩니다. 

age bit가 설정된 임계값을 초과 하게되면 Old Generation 영역으로 객체를 이동하게 됩니다.

하지만 값을 초과하지 않더라도 Survivor영역의 메모리가 부족할 경우에는 미리 Old Generation으로 객체가 옮겨질 수 있습니다.

 

💡 Major GC(Full GC)

Old Generation영역에 데이터가 가득 차면 GC를 실행하게 되는데 이것을 Major GC라고 합니다.

Old Generation 영역은 Young Generation영역에 비해 상대적으로 큰 공간을 가지고 있어, 이 공간에서 메모리 상의 객체 제거에 많은 시간이 걸리게 됩니다.

 

여기서 문제가 발생합니다.

Young Generation영역은 크기가 작기때문에 Minor GC과정이 빠른시간안에 끝납니다.

하지만 Old Generation의 경우 큰 공간을 차지하고 있어 Major GC과정도 오래 걸리게 됩니다.

즉 GC과정이 오래걸리면서 위에서 언급한 Stop The World 문제가 길어지게 됩니다.

 

이러한 문제를 해결하기 위해 자바 개발진들은 다양한 GC알고리즘을 개발하였습니다. ( ZGC, G1, Parallel, ... )

상황에 맞게 GC알고리즘을 설정하여 Stop The World를 최소한으로 줄여 프로그램의 성능 저하를 막을 수 있습니다.

 

 

 

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📚 Reference

https://1-7171771.tistory.com/140,

https://inpa.tistory.com/entry/JAVA-%E2%98%95-%EA%B0%80%EB%B9%84%EC%A7%80-%EC%BB%AC%EB%A0%89%EC%85%98GC-%EB%8F%99%EC%9E%91-%EC%9B%90%EB%A6%AC-%EC%95%8C%EA%B3%A0%EB%A6%AC%EC%A6%98-%F0%9F%92%AF-%EC%B4%9D%EC%A0%95%EB%A6%AC#thankYou