[JAVA] Garbage Collection(가비지 컬렉션)이란?

 

🌱 Garbage Collection(가비지 컬렉션)이란?

c나 c++ 같은 unmanaged language는 free() 같은 함수를 사용해 메모리를 직업 해제해야 한다. 

하지만 java에서는 JVM의 가비지컬렉터가 불필요한 메모리를 알아서 정리해주기 때문에 메모리를 직접 해제할 필요가 없다.

 

사용되지 않는 메모리를 해제해주는 이유는 메모리 누수를 방지하기 위함이다!! 

메모리는 한정적이기 때문에 사용하지 않거나 필요 없는 부분은 꼭 해제를 해주어야 한다.

 

 

🤔 가비지 컬렉터 vs 가비지 컬렉션

• 가비지 컬렉터 : 메모리 관리를 담당하는 시스템 또는 프로그램의 구성 요소이며, 메모리에서 더 이상 사용되지 않는 객체를 찾아 제거하여 메모리를 회수하는 역할을 한다.
• 가비지 컬렉션 : 메모리 관리 기술 중 하나로, 가비지 컬렉터에 의해 수행되는 프로세스를 의미한다.

즉, 가비지 컬렉션은 프로세스 자체를 의미하고, 실제 역할은 가비지 컬렉터가 하게 된다!

 

 

🤔 그럼 가비지가 무엇일까?

Heap 영역에서 동적으로 할당했던 메모리 중 필요 없게 된 메모리 객체를 가비지(Garbage)라고 한다.

 

Student std = new Student("김민수");
std.goSchool();

// 가비지 발생
std = new Student("이영희");

위 코드를 살펴보면, 김민수라는 이름의 객체를 생성하게 되면서 std가 김민수 객체를 참조하게 되었다.

하지만, 메서드 실행 후 이영희라는 새로운 객체를 참조하게 되면서 김민수라는 객체는 더이상 사용할 필요가 없어졌다.

여기서 가비지가 발생한다고 한다!

 

 

 

🌱 JVM의 Heap 메모리 영역

JVM의 Heap 메모리 구조는 해당 이미지처럼 생겼었다. 

하지만 Java8부터 Perm영역이 제거되었고, 아래와 같은 플로우로 실행된다.

 

 

JVM의 Heap 영역은 2가지 전제로 설계되었다고 한다.

• 대부분 객체는 금방 접근 불가능한 상태가 된다.
• 오래된 객체에서 새로운 객체로의 참조는 아주 적게 존재한다.

즉, 객체는 대부분 일회성되며, 메모리에 오랫동안 남아있는 경우는 드물다. 그래서 Young, Old 총 2가지 영역으로 설계되었다.

 

🫧 Young 영역

• 새롭게 생성된 객체가 할당되는 영역
• 대부분의 객체가 금방 Unreachable상태가 되기 때문에, 많은 객체가 Young 영역에 생성되었다가 사라진다.
• Young 영역에 대한 가비지 컬렉션을 Minor GC라고 한다.

🫧 Old 영역

• Young 영역에서 Reachable 상태를 유지하며 살아남은 객체가 복사되는 영역
• Young 영역보다 크게 할당되며, 영역의 크기가 큰 만큼 가비지는 적게 발생한다.
• Old 영역에 대한 가비지 컬렉션을 Major GC라고 한다.

 

🤔 Old 영역이 Young 영역보다 크게 할당되는 이유는?

Young 영역의 수명이 짧은 객체들은 큰 공간을 필요로 하지 않으며, 큰 객체들은 Young 영역이 아니라 바로 Old 영역에 할당되기 때문이다.

 

만약 Old 영역 있는 객체가 Young 영역에 있는 객체를 참조하는 경우를 대비해 Old 영역에 있는 카드 테이블을 사용한다.

 

카드  테이블이란?

512 바이트의 덩어리로 되어있으며 Old 영역에 있는 객체가 Young 영역에 있는 객체를 참조할 때마다 그에 대한 정보가 표시된다.

카드테이블이 도입된 이유는 Young 영역의 가비지 컬렉션이 진행될 때, Young 영역의 객체를 참조하는 Old 영역을 모두 식별해 보는 건 비효율적인 방법이기 때문에 카드 테이블만 조회해서 GC의 대상인지 판별하기 위해서이다.

 

 

🤔 그렇다면 Perm 영역은 왜 사라졌을까?

Perm 영역에선 무엇을 했을까?

• JVM에서 클래스 메타데이터(클래스, 메소드, 필드 정보)를 저장하는 곳
• 클래스 로더는 클래스 파일을 읽어들여서 이 영역에 클래스 메타데이터를 저장
• 이 정보들은 JVM실행 도중에 변경되지 않으며 JVM 종료 시까지 유지됨

JAVA8 이후로는 Metaspace 영역으로 대체되었다.

 

Metaspace란?

• Perm 영역에서 저장하던 Class의 Meta 정보들이 이 영역에 저장
• Native Memory 영역에 위치하며, JVM이 아닌 OS 레벨에서 관리
• 클래스 메타데이터와 리플렉션을 사용하는 애플리케이션에서 사용하는 일부 메모리를 저장

 

왜 대체되었을까?

• Perm 영역의 메모리 누수, OutOfMemoryError 등과 같은 문제
  • 클래스 로딩 및 언로딩 과정에서 메모리 할당 및 해제의 빈번한 발생으로 인해 이러한 문제가 더 심각해졌다.
• 클래스 메타데이터를 Native Memory에 저장하면서, JVM에서의 OutOfMemoryError 문제가 해결되었다.

 

 

🌱 Reachability vs Unrechability

가비지 컬렉션은 객체가 가비지인지 판단하기 위해서 Reachability라는 개념을 사용한다.

객체에 대해서 래퍼런스가 있다면 Reachable로 구분하고, 객체에 유효한 래퍼런스가 없다면 Unreachable으로 구분해 수거한다.

 

 

JVM에서는 실질적인 객체들은 Heap에 생성되고, Method Area와 Stack에서는 Heap 영역의 객체의 주소만 참조하는 형식으로 구성된다. 해당 그림에서 Heap 영역에 더 이상 사용되지 않는 객체를 Unreachable로 구분되어 GC의 대상이 되는 것이고, 사용되는 객체들은 Reachable로 구분되어 제거되지 않는다.

 

 

🌱 가비지 컬렉션의 동작 방식

가비지 컬렉션은 기본적으로 2가지 단계를 따르게 된다.

 

1. Stop The Word

가비지 컬렉션을 실행하기 위해 JVM이 애플리케이션의 실행을 멈추는 작업이다. 

GC가 실행될 때는 GC를 실행하는 쓰레드를 제외한 모든 스레드들의 작업이 중단되고 GC가 완료되면 작업이 재개된다.

여기서 모든 쓰레드의 작업이 중단된다고 했는데, 모든 스레드 작업이 중단되게 되면 당연히 애플리케이션이 멈추기 때문에 GC의 성능 개선을 위해 튜닝한다고 하면 stop-the-world의 시간을 줄이는 작업을 한다.

 

객체 참조 관계를 추적하는건 실행 중에도 할 수 있긴 하지만, 이 작업은 매우 느리기 때문에 중단하고 실행하는 것이다!

 

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 각각 어떤 객체를 참조하고 있는지를 추적한다. 그리고 사용되고 있는 메모리를 식별하는데 이런 과정을 Mark라고 한다.

이후에 Mark되지 않은 객체들을 메모리에서 제거하는 과정을 Sweep라고 한다.

 

 

Minor GC

위에서 설명했듯이 Young 영역에서 실행되는 것이 Minor GC이다.

 

Young 영역에는 1개의 Eden영역과 2개의 Survivor영역으로 나뉜다.

• Eden : 새로 생성된 객체가 할당되는 영역
• Survivor : 최소 1번의 GC 이상 살아남은 객체가 존재하는 영역

새로 객체가 생성되면 Young 영역에서도 Eden 영역에 할당된다. 이후 Eden 영역이 꽉 차게 되면, Minor GC가 발생하는 데 사용되지 않는 메모리는 해제되고, 사용되는 객체는 Survivor 영역으로 옮겨지는 것이다.  여기서 Servivor는 2개가 있는데 이 중 하나에만 존재하게 된다.

 

1. 새로 생성된 객체가 Eden영역에 할당된다.
2. 객체가 계속 생성되고 Eden영역이 꽉차고 Minor GC가 실행된다.
3. 1~2 과정에 반복되다가 Survivor 영역이 꽉 차게 되면 Survivor 영역의 살아남은 객체들은 다른 Survivor 영역으로 이동시킨다. (여기서 1개의 Survivor영역은 반드시 반 상태가 된다.)
4. 이런 과정을 반복하다가 살아남은 객체는 Old 영역으로 이동하게 된다.

 

이때, 생존 횟수를 카운트하는데 살아남은 횟수를 의미하는 age를 Object Header에 기록한다. 이후, Minor GC때 Object Header의 age를 보고 이동 여부를 결정한다.

위에도 적었듯이, 해당 과정을 실행할 때 Survivor영역은 반드시 하나만 차 있어야 한다. 모두 0이거나 모두 차있다면 비정상적인 실행이다.

 

 

 

JVM에서 Eden 영역의 객체를 빠르게 할당하기 위해서 bump the pointer와 TLABs(Thread-Local Allocation Buffers)라는 기술을 사용한다.

 

bump the pointer

• Eden 영역에 마지막 할당된 객체의 주소를 캐싱해 두는 것
• 새로운 객체를 위해 유효한 메모리를 탐색할 필요 없이 마지막 주소의 다음 주소를 사용하게 함으로써 속도를 높인다.
• 새로운 객체를 할당할 때 객체의 크기가 Eden 영역에 적합한지만 판별하면 되므로 빠르게 메모리를 할당할 수 있다.
• 멀티스레드 환경에서는 Eden 영역에 할당할 때 lock을 걸어서 동기화해줘야 한다.

TLABs

• 각가의 쓰레드마다 Eden영역에 객체를 할당하기 위한 주소를 부여함으로써 동기화 작업 없이 빠르게 메모리를 할당하도록 하는 기술이다.
• 각각의 쓰레드는 자신이 갖는 주소에만 객체를 할당함으로써 동기화 없이 bump the pointer를 통해  빠르게 객체를 할당하도록 하고 있다.

 

 

Major GC

Young 영역에서 오래 살아남은 객체는 Old 영역으로 이동한다. 

Major GC는 객체들이 계속 이동되어 Old 영역의 메모리가 부족해지면 발생한다. Young 영역은 Old 영역보다 메모리 크기가 작기 때문에 GC가 보통 0.5초에서 1초 사이에 끝나기 때문에 Minor GC시 애플리케이션에 큰 영향을 주지 않지만, Old 영역은 Young 영역보다 메모리가 크고 Young영역을 참조할 수도 있기 때문에 Major GC는 Minor GC보다 시간이 오래 걸리며, 10배 이상의 시간이 소요된다. 

 

+) Young과 Old 영역을 동시에 처리하는 GC는 Full GC라고 한다.

 

Major GC가 일어나면 스레드가 멈추고 Mark and Sweep 작업을 해야 하기 때문에 CPU에 부하를 줘서 멈추거나 버벅거리는 현상이 일어난다. 이를 해결하기 위해 다양한 가비지 컬렉션 알고리즘을 사용한다.

 

 

🌱 가비지 컬렉션 알고리즘

 

1. Serial GC

# Serial GC 실행 명령어
# -XX:+UseSerialGC: Serial GC 알고리즘으로 힙 메모리를 관리하도록 실행
java -XX:+UseSerialGC -jar Application.java

serial GC는 Young영역에서 Mark Sweep대로 수행하지만 Old영역에서는 Mark Sweep Compact알고리즘으로 사용된다.

기존에 Mark Sweep에 Compact가 추가된 것이다. Compact는 Heap영역을 정리하기 위한 단계로 유효한 객체들이 연속되게 쌓이도록 힙의 가장 앞부분부터 채워서 객체가 존재하는 부분과 객체가 존재하지 않는 부분으로 나누는 것이다.

 

• 서버의 CPU코어가 1개일 때 사용하기 위해 개발되었으며, 모든 가비지 컬렉션 일을 처리하기 위해 1개의 스레드만 이용한다.
• 따라서 보통 실무에서 사용하는 일이 없다.

 

 

2. Parallel GC

# GC 스레드는 기본적으로 cpu 개수만큼 할당
# 옵션을 통해 GC를 수행할 쓰레드의 갯수 등을 설정 가능
java -XX:+UseParallelGC -jar Application.java 
# -XX:ParallelGCThreads=N : 사용할 쓰레드의 갯수

 

기본 처리 과정은 Serial GC와 동일하지만 Parallel GC는 여러 개의 쓰레드를 통해 병렬적으로 GC를 수행함으로써 오버헤드를 상당히 줄여준다. 멀티 프로세서 또는 멀티  스레드 머신에서 중간 규모부터 대규모 데이터를 처리하는 애플리케이션을 위해 고안되었으며, 옵션을 통해 최대 지연 시간 또는 GC를 수행할 스레드 개수 등을 설정해 줄 수 있다.

• Java8까지 기본 가비지 컬렉터로 사용되었지만, 애플리케이션이 멈추는 것을 피할 수 없어 개선된 알고리즘이 등장했다.

 

 

3. Parallel Old GC

java -XX:+UseParallelOldGC -jar Application.java
# -XX:ParallelGCThreads=N : 사용할 쓰레드의 갯수

 

Parallel GC에서 Old 영역에 새로운 알고리즘을 추가한 버전이다. Young 영역 뿐만 아니라 Old영역에서도 멀티 스레드 방식으로 GC를 수행한다. 

 

 

4. G1(Garbage First) GC

java -XX:+UseG1GC -jar Application.java

Java7 버전부터 지원되기 시작했으며 기존의 GC 알고리즘에서는 Heap 영역을 물리적으로 Young 영역과 Old 영역으로 나누어 사용하였지만, G1 GC는 물리적으로 메모리 공간을 나누지 않는다. 대신 Region(지역)의 개념을 도입해서 Heap을 균등하게 여러 지역으로 나누고, 각 지역을 역할과 함께 논리적으로 구분해서 객체를 할당한다.

 

• 가비지로 가득 찬 영역을 빠르게 회수하여 빈 공간을 확보하기 때문에 GC 빈도가 줄어드는 효과를 얻게 된다.
• 이전에는 Eden → Survivor0 → Survivor1 순서로 이동했지만, G1 GC에서는 순차적으로 이동하지 않고 더 효율적이라고 생각하는 위치로 객체를 재할당 시킨다. 

 

 

 

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가비지 컬렉션에 대해서 자세히 생각해본 적이 없었는데, 글로 정리하니까 머릿속에서도 정리가 된 것 같다!

 

 

 

 

reference

https://jellili.tistory.com/60

https://mangkyu.tistory.com/118

https://velog.io/@yarogono/Java%EA%B0%80%EB%B9%84%EC%A7%80-%EC%BB%AC%EB%A0%89%ED%84%B0Garbage-Collector%EB%9E%80