Garbage Collection 란?

Garbage Collection은 JVM 상에서 더 이상 사용되지 않는 데이터가 할당되어 있는 메모리를 해제시켜준다. 보통 GC가 JVM Heap 영역에 있는 객체 중 참조되지 않는 데이터를 자동적으로 해제시켜주기 때문에 개발자는 메모리 관리를 직접적으로 해줄 필요가 없다.

이러한 GC로 인하여 한정된 메모리를 효율적으로 사용할 수 있도록 도와주고 개발자들에게 메모리 관리를 위한 부담을 줄여준다.

Weak Generational Hypothesis

GC를 성공적으로 수행하는 Algorithm으로 설계하기 위해서는 Weak Generational Hypothesis 가설이 필요하다.

Weak Generational Hypothesis

• 대부분의 객체는 금방 접근 불가능 상태(unreachable)가 된다.
• 오래된 객체에서 젋은 객체로의 참조는 아주 적게 존재한다.

이러한 가설을 바탕으로 GC가 수행될 수 있도록 하는 알고리즘은 기본적으로 Mark And Sweep Algorithm과 Mark And Compact Algorithm이 존재한다.

Mark And Sweep Algorithm

어떤 heap 영역에 할당된 객체가 유효한 참조가 있으면 reachability이고 없다면 unreachability로 판단한다. 하나의 객체는 다른 객체를 참조하고, 다른 객체는 또 다른 객체를 참조할 수 있기 때문에 참조 사슬이 형성된다. 이러한 참조 사슬 중 최초에 참조한 것을 Root Set이라고 한다. Heap 영역에 있는 객체들은 4가지 경우에 대한 참조를 가진다.

1. heap 영역 내의 다른 객체에 의한 참조
2. stack 영역에 지역변수와 매개변수들에 의한 참조
3. native stack, JNI(Java Native Interface)에 의해 생성된 객체에 대한 참조
4. 메서드 영역의 정적 변수에 의한 참조

이중 2, 3, 4가 Root Set이 될 수 있다.

Root Set 부터 출발하여 참조되는 객체들에 대해 Mark를 진행한다. 이 단계를 Mark Phase라고 한다. Mark되지 않은 객체들은 추적하여 삭제를 진행한다. 삭제를 진행하는 단계를 Sweep Phase라고 한다.

하지만 이러한 방식은 메모리 단편화를 야기한다. 이것을 해결하기 위해 Mark And Compact Algorithm이 등장하였다.

Mark And Compact Algorithm

Mark And Compact Algorithm은 Mark And Sweep Algorithm와 동일하게 Mark를 진행하고 참조되지 않는 객체를 삭제한다. 더 나아가 메모리를 정리하여 메모리 단편화를 해결한다.

Minor GC와 Major GC

Minor GC

새로 생성된 대부분의 객체(인스턴스)는 Eden 영역에 위치한다. Eden 영역에서 GC가 발생한 후 살아남은 객체는 두개의 Suvivor 영역 중 하나로 이동한다. 이 과정은 반복되며 계속 살아남는 객체는 일정 시간 참조되고 있다는 의미로 Old 영역으로 이동한다. 이때도 짧은 시간의 stop-the-world가 일어나지만 무시 가능한 짧은 시간이기 때문에 이루어지지 않는다고 간주한다.

Major GC

Old 영역에 있는 모든 객체들을 검사하여 참조되지 않는 객체들을 한꺼번에 삭제한다. 그렇기 때문에 상당히 긴 시간 동안 stop-the-world이 이루어진다.

stop-the-world

GC가 일어나면 GC를 담당하고 있는 스레드를 제외한 모든 스레드는 일시적으로 작동이 정지된다. 이것을 stop-the-world라고 한다. 빈번한 GC 호출은 성능을 저하시킨다. GC 튜닝이란 결국 stop-the-world의 시간을 줄이는 것이 핵심이다. 이것은 Mark And Compact Algorithm을 기반한 여러 GC 방식들을 적용하면 해결 가능하다.

GC 방식 변경

Java 애플리케이션 실행 시 다양한 종류의 GC로 변경하여 상황에 맞게 튜닝이 가능하다.

java -XX:+UseSerialGC javaApplication
java -XX:+UseParallelGC javaApplication
...

모든 Java 기반의 서비스에서 GC 튜닝이 필수적인 것은 아니다. 운영하고 있는 서비스의 GC를 적게 하도록 객체 생성을 줄이는 작업이 더 우선적이다.

References

Java Reference와 GC (opens new window)
Garbage Collection 튜닝 (opens new window)
JVM에 관하여 - Part 4, Garbage Collection 기초 (opens new window)
가비지컬렉션(Garbage Collection)/JVM 구동원리에 이어서 (opens new window)

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