🤔 들어가기 전에..

• C/C++에서는 메모리누수(Memory Leak)을 막기 위해 객체를 생성한 후, 사용하지 않는 메모리는 프로그래머가 직접 해제해주어야 했습니다. 하지만 JAVA에서는 JVM이 구성된 JRE(Java Runtime Environment)가 제공되며, 그 구성요소 중 하나인 Garbage Collection이 자동으로 낭비되고 있는 객체를 파괴합니다.
• stop-the-world란? : Garbage Collection를 실행하기 위해 JVM이 애플리케이션 실행을 멈추는 것이다. 어떤 GC(*Garbage Colletion)알고리즘을 사용하더라도 stop-the-world는 발생하게 된다. 일반적으로 GC튜닝은 이stop-the-world 시간을 줄이는 것이다.
• GC를 해도 더이상 사용 가능한 메모리 영역이 없는데 계속 메모리를 할당하려고 하면, OutOfMemoryError가 발생하여 WAS가 다운될 수도 있습니다. 행(Hang) 즉, 서버가 요청을 처리 못하고 있는 상태가 됩니다. 따라서 규모 있는 JAVA 애플리케이션을 효율적으로 개발하기 위해서는 GC에 대해 잘 알아야 합니다.

Garbage Collection(가비지 컬랙션)이란,

• Garbage란, 사용되어 지지 않는 메모리지만, 방출되지 않은 메모리를 뜻한다.

• 사용과 방출을 이해하기 위해서는 메모리의 라이프 싸이클을 알아야 한다.
  
  메모리는 위의 3단계처럼 메모리 할당 > 메모리 사용 > 메모리 방출 순서이다. 여기서 말하는 메모리 할당을 알아보면 Garbage Collection을 더 잘 이해할 수 있다.

• 메모리란, 0,1로 표현되어지는 어떠한 값이 어딘가에 저장이 되어져있고, 저장되어 있는 그 주소를 의미한다. 여기서 메모리 사용은 할당된 메모리를 쓰거나 읽는다는 것을 의미한다. 하지만 여기서 메모리 방출이 일어나지 않는다면 어떻게 될까? release되지 않은 상태이므로, 가비지 컬렉터가 메모리 할당을 추적하고 언제 할당된 메모리가 더이상 사용되지 않고 있는지를 파악하여 자동 회수한다.

• 즉, 아래와 같은 경우가 가비지 컬렉터가 회수할 대상이 된다.
  
  이처럼 객체가 실질적으로 있는 Heap영역에서 아무곳에서도 참조되지 않은 객체(빨간색)는 삭제 대상이 된다.

예시)
   1. 객체가 null인 경우 (예: String str = null)
   2. 블럭 실행 종료 후, 블럭 안에서 생성된 객체
   3. 부모 객체가 null인 경우, 포함하는 자식 객체

GC의 메모리 해제 과정

1. Marking

먼저 프로세스가 마킹을 호출한다. 이 순서에서 메모리가 사용되는지 여부를 판단(식별)한다. 참조되는 객체는 파란색, 참조되지 않는 객체는 주황색으로 보여진다. 마킹단계에서는 모든 오브젝트를 스캔한다. 따라서 긴 시간이 소모된다.

2. Normal Deletion

참조되지 않은 객체(Unreachable, 주황색)은 제거하고, 메모리를 반환한다. 메모리 Allocator는 반환되어 비어진 블럭의 참조 위치를 저장해 두었다가 새로운 오브젝트가 선언되면 할당해준다.

3. Compacting

퍼포먼스 향상을 위해, 참조되지 않은 객체(주황색)을 지웠다면 남아있는 참조된 객체(Reachable)를 묶어놓는다. 이들을 묶음으로서 공간이 생기게 되므로, 새로운 메모리를 할당할 때 더 쉽고 빠르게 진행할 수 있게 된다.

✔ GC의 동작 알고리즘(동작과정도 동일)

가비지 컬렉션이 동작하는 원리로 루트에서부터 해당 객체에 접근 가능한지에 대한 여부를 메모리 해제의 기준으로 삼습니다. Mark And Sweep은 위의 그림과 같이 총 3가지 과정으로 나뉘게 됩니다.

• Mark 과정 : 먼저 Root로부터 그래프 순회를 통해 연결된 객체들을 찾아내어 각각 어떤 객체를 잠조하고 있는지 찾아서 마킹합니다.
• Sweep 과정 : 참조하고 있지 않은 객체 즉 Unreachable 객체들을 Heap에서 제거합니다.
• Compact 과정 : Sweep 후에 분산된 객체들을 Heap의 시작 주소로 모아 메모리가 할당된 부분과 그렇지 않은 부분으로 압축합니다. (가비지 컬렉터 종류에 따라 하지 않는 경우도 있음)

Generational GC

객제들의 세대(generation)를 분리하고, 대부분의 GC사이클에서 특정 세대에 대해서만 작업을 수행하는 것

Generational GC의 배경

GC의 동작 알고리즘인 Mark & Compact는 JVM에게 비효율적이다. 위의 사진과 같이 시간이 지날 수록 적은 객체만 남는 것을 보고 Weak Generational Hypothesis가 대두되었다.

• Weak Generational Hypothesis : 신규로 생성한 객체의 대부분은 금방 사용하지 않는 상태가 되고, 오래된 객체에서 신규 객체로의 참조는 매우 적게 존재한다는 가설. 즉, 객체는 대부분 일회성되며, 메모리에 오랫동안 남아있는 경우는 드물다는 것. 해당 가설을 기반으로 young/old영역으로 나누어 메모리를 분할하였다.

Generational GC 구조

1. Young 영역
   새롭게 생성한 객체의 영역. 대부분의 객체가 금방 접근 불가능 상태가 되기 때문에 매우 많은 객체가 Young 영역에 생성되었다가 사라진다. 이 영역에서 객체가 사라질때 Minor GC 가 발생한다.
2. Old 영역
   Young영역에서 Reachable상태로 오랫동안 살아남은 객체가 복사되는 영역. 대부분 Young 영역보다 크게 할당하며, 크기가 큰 만큼 Young 영역보다 GC는 적게 발생한다. 이 영역에서 객체가 사라질 때 Major GC가 발생한다.

Minor GC의 동작방식

Minor GC를 정확히 이해하기 위해서는 Young 영역의 구조에 대해 이해를 해야 한다. Young 영역은 1개의 Eden 영역과 2개의 Survivor 영역, 즉 총 3가지로 나뉘어진다.

• Eden 영역: 새로 생성된 객체가 할당(Allocation)되는 영역
• Survivor 영역: 최소 1번의 GC 이상 살아남은 객체가 존재하는 영역
  

1. 객체가 새롭게 생성되면 먼저 Elden영역에 할당된다.
2. 객체가 계속 생성되어 Elden영역이 꽉차게 되고 Minor GC가 실행된다.
   2-1. Eden 영역에서 사용되지 않는 객체의 메모리가 해제된다.
   2-2. Eden 영역에서 살아남은 객체는 1개의 Survivor 영역으로 이동된다.
3. 1~2번의 과정이 반복되다가 Survivor 영역이 가득 차게 되면 Survivor 영역의 살아남은 객체를 다른 Survivor 영역으로 이동시킨다.(따라서 1개의 Survivor 영역은 반드시 빈 상태가 된다.)
4. 이러한 과정을 반복하여 계속해서 살아남은 객체는 Old 영역으로 이동(Promotion)된다.

• 객체의 생존 횟수를 카운트하기 위해 age를 Object Header에 기록한다. 그리고 Minor GC 때 Object Header에 기록된 age를 보고 Promotion 여부를 결정한다.

Major GC의 동작방식

Major GC는 객체들이 계속 Promotion되어 Old 영역의 메모리가 부족해지면 발생하게 된다.

*🤔 : Young 영역은 일반적으로 Old 영역보다 크키가 작기 때문에 GC가 보통 0.5초에서 1초 사이에 끝난다. 그렇기 때문에 Minor GC는 애플리케이션에 크게 영향을 주지 않는다. 하지만 Old 영역은 Young 영역보다 크며 Young 영역을 참조할 수도 있다. 그렇기 때문에 Major GC는 일반적으로 Minor GC보다 시간이 오래걸린다.

*참고 : https://github.com/GimunLee/tech-refrigerator/blob/master/Language/JAVA/Garbage%20Collection.md#garbage-collection, https://mangkyu.tistory.com/118, https://coding-factory.tistory.com/829