개요
가비지 컬렉터는 메모리 관리 기법 중의 하나로, 프로그램이 동적으로 할당했던 메모리 영역 중에서 필요없게 된 영역을 해제하는 기능이다. 힙(heap) 메모리에서 더 이상 참조되지 않는 객체가 차지하는 메모리를 자동으로 수집하고 해제하는 방식으로 메모리 관리를 수행하는 기능이다.
자바 버전마다 사용되는 GC 방식이 다르며, 시간이 지남에 따라 GC의 성능과 효율성이 향상되었다. 각 GC의 특징과 장단점을 정리해보려고 한다.
1. Serial GC (단일 스레드 방식)
-
JDK 버전: JDK 1.3
-
동작 방식:
- Serial GC는 단일 스레드로 동작하여, 애플리케이션에서 모든 GC 작업을 순차적으로 처리한다.
- 가비지 컬렉션이 진행될 때 애플리케이션 스레드를 모두 멈추는
Stop-the-world(STW) 방식을 사용한다. - 전체 힙을 단일 스레드로 순차적으로 스캔하고, 더 이상 사용되지 않는 객체를 제거한다.
-
장점:
- 구현이 간단하고, 소형 시스템이나 메모리가 작은 환경에서 효과적이다.
- 단일 스레드로 동작하기 때문에 멀티스레드 환경에서의 경쟁 상태를 고려할 필요가 없다.
-
단점:
Stop-the-world방식으로 애플리케이션이 멈추기 때문에 대규모 시스템에서 성능 문제가 발생할 수 있다.- 멀티코어 환경에서 비효율적이며, 멀티스레드 기반으로 최적화된 시스템에서는 성능이 떨어질 수 있다.
2. Parallel GC (병렬 방식)
-
JDK 버전: JDK 1.4
-
동작 방식:
- Parallel GC는 여러 개의 GC 스레드를 사용하여 가비지 컬렉션을 병렬 처리한다.
- 힙을 Young Generation과 Old Generation으로 나누어 각각 독립적으로 처리한다.
Stop-the-world방식이지만, 여러 스레드가 병렬로 처리하여 시간을 단축시킨다.
-
장점:
- 멀티코어 시스템에서 성능이 크게 향상된다.
- 대규모 시스템에서 많은 객체를 처리할 때 효율적이다.
-
단점:
- 여전히
Stop-the-world가 발생하여, 긴 GC 시간이 발생할 수 있다. - 응답 시간이 중요한 시스템에서는 부적합할 수 있다.
- 여전히
3. CMS (Concurrent Mark-Sweep) GC
-
JDK 버전: JDK 1.5
-
동작 방식:
- CMS GC는 병렬 및 동시 방식으로 가비지 컬렉션을 수행한다.
- Initial Mark 단계에서 잠깐 애플리케이션을 멈추고, 그 이후는 대부분의 작업을 애플리케이션과 동시에 수행한다.
Mark와Sweep단계는 애플리케이션 스레드와 동시에 작업을 진행하며, 최종적으로 메모리를 청소한다.
-
장점:
- STW 시간을 최소화할 수 있어, 응답 속도가 중요한 시스템에 적합하다.
- 웹 서버나 데이터베이스 서버처럼 빠른 응답 시간을 요구하는 애플리케이션에 효과적이다.
-
단점:
- 메모리 단편화 문제가 발생할 수 있다.
- CPU 자원을 많이 소모하므로, 자원 관리에 유의해야 한다.
- 최신 버전에서는 Garbage First(G1)로 대체되는 경향이 있다.
4. G1 (Garbage First) GC
-
JDK 버전: JDK 7 (JDK 9부터 기본)
-
동작 방식:
- G1 GC는 힙 메모리를 여러 개의 Region으로 나누고, 각 Region의 우선순위에 따라 가비지 컬렉션을 수행한다.
- Young Generation과 Old Generation을 통합적으로 관리하며, 우선순위가 높은 영역부터 GC를 수행한다.
- G1은 STW 시간을 예측 가능하게 조절할 수 있도록 설계되었다.
-
장점:
- GC의 성능을 예측 가능하게 관리할 수 있다.
- 대규모 애플리케이션에서 메모리 단편화 문제를 개선할 수 있다.
- GC 시간의 최대 제한을 설정하여 일정한 성능을 보장한다.
-
단점:
- G1은 CMS보다 CPU 사용량이 많고, 소형 힙에서는 성능 향상이 적을 수 있다.
- 초기화가 느리고, 설정이 복잡할 수 있다.
5. ZGC (Z Garbage Collector)
-
JDK 버전: JDK 11
-
동작 방식:
- ZGC는 STW 시간을 10ms 이하로 유지하는 것을 목표로 설계되었다.
- 배경에서 대부분의 작업을 수행하며, 메모리 회수 과정에서 애플리케이션 스레드를 최소화한다.
- ZGC는 힙 크기가 8MB~16TB까지 확장 가능한 대규모 시스템에서 잘 동작한다.
-
장점:
- 실시간 시스템에서 중요한 저지연 처리가 가능하다.
- 대용량 힙에서 효율적으로 동작하며, 응답 시간이 매우 짧다.
Stop-the-world시간이 10ms 이하로 매우 짧아 시스템 성능에 미치는 영향이 적다.
-
단점:
- CPU 사용량이 상대적으로 많다.
- Windows 지원이 JDK 15부터 가능해지며, 초기 버전에서는 지원이 부족하다.
6. Shenandoah GC
-
JDK 버전: JDK 12
-
동작 방식:
- Shenandoah는 STW 시간을 1~10ms로 최소화하는 것을 목표로 설계되었다.
- 배경에서 대부분의 가비지 컬렉션을 수행하며, 애플리케이션의 멈춤 시간은 거의 없다.
- 병렬로 메모리를 회수하며, 대규모 시스템에서 잘 동작한다.
-
장점:
- 실시간에 가까운 성능을 제공하며, STW 시간이 짧다.
- 멀티코어 환경에서 효율적이고 대규모 힙을 처리하는 데 유리하다.
-
단점:
- CPU 사용량이 높을 수 있으며, 메모리 공간을 충분히 확보해야 한다.
- 메모리 관리가 복잡할 수 있어 작은 힙에서 성능이 크게 개선되지 않을 수 있다.
7. Generational ZGC (JDK 21)
-
JDK 버전: JDK 21
-
동작 방식:
- 기존 ZGC를 개선하여 Young Generation과 Old Generation을 구분하여 처리한다.
- G1의 장점을 그대로 가져가면서, ZGC의 저지연 성능을 더욱 개선한다.
-
장점:
- STW 시간을 더 줄일 수 있어 대규모 실시간 시스템에서 매우 유용하다.
- 기존 ZGC보다 성능 향상을 제공한다.
-
단점:
- 최신 기술로 실사용 사례가 적다.
- 구성 및 설정이 복잡할 수 있다.
GC 종류 비교
| GC 종류 | 출시 연도 | STW 시간 | 멀티코어 지원 | 특징 |
|---|---|---|---|---|
| Serial GC | JDK 1.3 | 김 | ✗ | 단일 스레드, 소형 시스템 적합 |
| Parallel GC | JDK 1.4 | 중간 | ✔ | 멀티코어, 높은 처리량 |
| CMS GC | JDK 1.5 | 짧음 | ✔ | STW 최소화, 메모리 단편화 문제 |
| G1 GC | JDK 7 (JDK 9 기본) | 예측 가능 | ✔ | Region 기반, 단편화 해결 |
| ZGC | JDK 11 | 10ms 이하 | ✔ | 초저지연, 대용량 메모리 |
| Shenandoah | JDK 12 | 1~10ms | ✔ | STW 최소화, 높은 CPU 사용량 |
| Gen ZGC | JDK 21 | 매우 짧음 | ✔ | ZGC 최적화 버전 |
결론
다음은 실무에서 채택한 JDK 버전별 사용 비율과 미사용 비율을 나타낸 표다.
| JDK 버전 | 사용 비율 (%) | 미사용 비율 (%) |
|---|---|---|
| Java 8 | 42.9 % | 57.1 % |
| Java 11 | 28.6 % | 71.4 % |
| Java 17 | 35.7 % | 64.3 % |
| Java 21 | 35.7 % | 64.3 % |
| Java 24 | 0.0 % | 100.0 % |
결론적으로, 실무에서는 JDK 7 미만을 쓰는 경우가 많지 않고, 대부분 JDK 8 이상 버전이 사용된다. 이에 따라 CMS GC는 점차 사용되지 않고, G1 GC, ZGC, Shenandoah GC가 주요 선택지가 된다. 특히, 응답 시간이 중요한 웹 애플리케이션에서는 G1 GC를 선택하는 경우가 많고, 대규모 실시간 시스템에서는 ZGC나 Shenandoah GC가 많이 사용된다고 한다.
최신 JDK에서는 JVM 옵션을 통해 GC를 설정하거나 변경할 수 있어, 각 GC 방식의 특성을 잘 이해하고 애플리케이션의 규모, 성능 요구 사항, 메모리 사용 패턴에 맞춰 적절한 GC를 선택하고 활용하는 것이 중요한 성능 최적화 전략이 된다고 볼 수 있겠다.
