JVM Garbage Collection

JVM Garbage Collection 이란?

자바의 메모리 관리 방법 중의 하나로 JVM(자바 가상 머신)의 Heap 영역에서 동적으로 할당했던 메모리 중 필요 없게 된 메모리 객체를 모아 주기적으로 제거하는 프로세스를 말한다

C / C++ 언어는 가비지 컬렉션(Garbage Collection, 이하 GC)가 없어 프로그래머가 수동으로 메모리 할당과 해제를 일일히 해줘야 하지만 Java는 GC가 메모리 관리를 대행해주기 때문에 다음과 같은 장단점이 존재한다

장점

Java 프로세스가 한정된 메모리를 효율적으로 사용할 수 있음
개발자 입장에서 메모리 관리, 메모리 누수 문제에 대해서 벗어나므로 개발에만 집중할 수 있음

단점

메모리가 언제 해제되는지 정확하게 알 수 없어 제어하기 힘들다
GC가 동작하는 동안에는 다른 동작을 멈추기 때문에 오버헤드가 발생한다(Stop The World)

Stop The World(STW)

STW는 GC를 수행하기 위해 JVM이 프로그램 실행을 멈추는 현상을 의미한다
GC가 작동하는 동안 GC 관련 쓰레드를 제외한 모든 쓰레드가 멈추게 되어 서비스 이용에 차질이 생길 수 있다

GC가 너무 자주 실행되면 성능 하락의 문제가 되기도 한다. (특히 실시간 성이 강조되는 프로그램)
따라서 어플리케이션의 사용성을 유지하되 효율적으로 GC를 실행해야 하고, 이러한 GC 최적화 작업을 GC튜닝이라고 한다

JVM Garbage Collection 동작 원리

GC 대상

GC는 특정 객체가 garbage인지 아닌지 판단하기 위해서 도달성 이라는 개념을 적용한다.
객체의 레퍼런스(참조 값)가 있다면 Reachable로 구분하고, 객체의 유효한 레퍼런스가 없다면 Unreachable로 구분하여 수거한다.

Reachable : 객체가 참조되고 있는 상태
Unreachable : 객체가 참조되고 있지 않은 상태 (GC의 대상이 됨)

JVM 메모리에서 객체를 실질적으로 Heap 영역에서 생성되고, Method Area 나 Stack 에서는 객체의 주소를 참조하는 형식으로 구성된다
메서드가 끝나거나 특정한 이벤트들로 인하여 Method Area 나 Stack에 있는 참조 값이 삭제되면 어디서든 참조하고 있지 않는 객체가 되고 GC를 통해 제거되는 것이다.

Mark And Sweep (GC 동작 방법)

가비지 컬렉션이 될 대상 객체를 식별(Mark) 하고 제거(Sweep) 하며, 추가적으로 GC 알고리즘에 따라 객체가 제거되어 파편화된 메모리 영역을 앞에서부터 채워나가는 압축(Compaction) 을 수행할 수도 있다.

Mark : GC Root 로 부터 참조 값을 쭉 따라가며 연결된 객체들을 찾아내어 각각 어떤 객체를 참조하고 있는 지 찾아서 마킹한다
Sweep : 참조하고 있지 않은 객체 즉 Unreachable 객체들을 Heap에서 제거한다
Compact : Sweep 후에 분산된 객체들을 Heap의 시작 주소로 모아 메모리가 할당된 부분과 그렇지 않은 부분으로 압축한다. (메모리 단편화 문제를 해결)

heap 메모리의 구조

Heap영역은 처음 설계될 때 다음의 2가지를 전제 (Weak Generational Hypothesis)로 설계되었다.

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 것이다.

이러한 특성을 이용해 JVM 개발자들은 보다 효율적인 메모리 관리를 위해, 객체의 생존 기간에 따라 물리적인 Heap 영역을 나누게 되었고 Young 과 Old 총 2가지 영역으로 설계하였다.

Minor GC

1. 새로 생성되는 객체는 Eden 영역에 저장된다.

Eden 영역이 가득차면 Minor GC가 발생한다.

2. Eden 영역에서 GC가 필요한 대상을 찾는다 (Mark)

3. GC를 통해 참조되지 않는 객체를 Heap 영역에서 제거(Sweep)하고, 살아남은 객체를 Survivor0 혹은Survivor1에 저장한다.

이 때, 어디에 먼저 저장할 지 순서는 상관없지만, 반드시 Survivor0 나 Survivor1 중 하나는 비어있어야 한다. (Survivor0 에 저장된다면 Survivor1는 비어있어야 하고, Survivor1에 저장된다면Survivor0 가 비어있어야 함)

살아남은 객체는 Age 값을 증가시킨다(임계점에 도달하면 Old Generation으로 이동하게 됨.)

4. Age 값이 임계점에 도달할 때 까지 위 과정을 반복한다.

Survivor 0 혹은 Survivor 1에 객체가 있는 상태에서, Eden 영역이 가득차 Minor GC가 발생하면 Survivor 0 또는 Survivor 1 있는 객체까지 Mark And Sweep 과정을 거쳐 비어있는Survivor 영역에 저장시킨다.

Major GC

1. Age 값이 임계점에 도달한다

2. Age 값이 임계점에 도달한 객체들을 Old Generation 영역으로 이동시킨다. 이 과정을 Promotion이라고 한다

JVM Garbage Collection 종류

Serial GC

서버의 CPU 코어가 1개일 때 사용하기 위해 개발된 가장 단순한 GC
GC를 처리하는 쓰레드가 1개 (싱글 쓰레드) 이어서 가장 stop-the-world 시간이 길다
Minor GC 에는 Mark-Sweep을 사용하고, Major GC에는 Mark-Sweep-Compact를 사용한다.
보통 실무에서 사용하는 경우는 없다 (디바이스 성능이 안좋아서 CPU 코어가 1개인 경우에만 사용)

Parallel GC

Java 8의 디폴트 GC
Serial GC와 기본적인 알고리즘은 같지만, Young 영역의 Minor GC를 멀티 쓰레드로 수행 (Old 영역은 여전히 싱글 쓰레드)
Serial GC에 비해 stop-the-world 시간 감소

CMS GC (Concurrent Mark Sweep)

어플리케이션의 쓰레드와 GC 쓰레드가 동시에 실행되어 stop-the-world 시간을 최대한 줄이기 위해 고안된 GC
단, GC 과정이 매우 복잡해짐.
GC 대상을 파악하는 과정이 복잡한 여러단계로 수행되기 때문에 다른 GC 대비 CPU 사용량이 높다
메모리 파편화 문제
CMS GC는 Java9 버젼부터 deprecated 되었고 결국 Java14에서는 사용이 중지

G1 GC(Garbage First)

CMS GC를 대체하기 위해 jdk 7 버전에서 최초로 release된 GC
Java 9+ 버전의 디폴트 GC로 지정
4GB 이상의 힙 메모리, Stop the World 시간이 0.5초 정도 필요한 상황에 사용 (Heap이 너무작을경우 미사용 권장)
기존의 GC 알고리즘에서는 Heap 영역을 물리적으로 고정된 Young / Old 영역으로 나누어 사용하였지만, G1 gc는 아예 이러한 개념을 뒤엎는 Region이라는 개념을 새로 도입하여 사용.전체 Heap 영역을 Region이라는 영역으로 체스같이 분할하여 상황에 따라 Eden, Survivor, Old 등 역할을 고정이 아닌 동적으로 부여
Garbage로 가득찬 영역을 빠르게 회수하여 빈 공간을 확보하므로, 결국 GC 빈도가 줄어드는 효과를 얻게 되는 원리