가비지 컬렉션이란?
영어로 Garbage Collection으로 줄여서 GC라고 부릅니다. GC는 JAVA의 메모리 관리 방법 중 하나로, JVM의 Heap영역에서 동적으로 할당했던 메모리 영역 중 필요없게 된 메모리 영역을 주기적으로 삭제하는 프로세스를 의미합니다.
C++과 JAVA의 메모리 처리방식의 차이점
- JAVA는 객체를 메모리의 Heap영역에만 할당할 수 있으나, C++의 경우 Heap과 Stack영역 모두에 할당이 가능합니다.
- C++ 에서는 new 키워드를 통해 객체를 생성할 경우 Heap영역에 객체가 할당되고, 일반적인 변수선언 방식처럼 취급할 경우 Stack에 할당할 수 있습니다.
반면, JAVA의 경우 일반적인 변수 선언방식으로는 객체를 생성할 수 없습니다.
- C++ 에서는 new 키워드를 통해 객체를 생성할 경우 Heap영역에 객체가 할당되고, 일반적인 변수선언 방식처럼 취급할 경우 Stack에 할당할 수 있습니다.
- JAVA는 GC를 통한 Heap 메모리 해제가 자동으로 이뤄지지만, C++은 프로그래머가 수동으로 해제해야 합니다.
- JAVA에서는 GC가 미사용 객체 등의 자원을 자동으로 해제하며, 프로그래머는 수동으로 GC를 조작할 수 없습니다.
JAVA의 메모리할당 위치와 해제 대상
객체들은 실질적으로 Heap영역에서 생성되고, Method Area나 Stack Area등 Root Area에서는 Heap Area에 생성된 객체의 주소만 참조하는 형식으로 구성됩니다.
하지만 이렇게 생성된 Heap의 객체들이 메서드가 끝나는 등 특정 이벤트들로 인해, Heap Area객체의 메모리 주소를 가지고 있는 참조 변수가 삭제되는 현상이 발생하면 위의 그림에서의 빨간색 객체와 같이 Heap영역에서 어디서든 참조하고 있지 않은 객체들이 발생하게 됩니다. 이러한 객체들을 Unreachable하다고 하며 주기적으로 가비지컬렉터가 제거해줍니다.
Mark And Sweep 알고리즘
Mark And Sweep 알고리즘은 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)
가비지 컬렉션 동작 과정
Heap Area는 효율적인 GC를 위해 위와 같이 Eden, Survival, Old Generation으로 나뉩니다.
첫 번째 과정
객체가 처음 생성되고 Heap영역의 Eden에 age-bit 0으로 할당됩니다. 이 age-bit는 Minor GC에서 살아남을 때마다 1씩 증가하게 됩니다.
두 번째 과정
시간이 지나 Heap Area의 Eden 영역에 객체가 다 쌓이게 되면 Minor GC가 한번 일어나게 되고 참조 정도에 따라 Servivor0 영역으로 이동하거나 회수됩니다.
세 번째 과정
계속해서 Eden영역에는 신규 객체들이 생성됩니다. 이렇게 또 Eden영역에 객체가 다 쌓이게 되면 Young Generation(Eden+Servivor) 영역에 있는 객체들을 비어있는 Survival인 Survival1 영역에 이동하고 살아남은 모든 객체들은 age가 1씩 증가합니다.
네 번째 과정
또다시 Eden 영역에 신규 객체들로 가득 차게 되면 다시한번 minor GC가 일어나고 Young Generation(Eden+Servivor) 영역에 있는 객체들을 비어있는 Survival인 Survival0으로 이동시킨 뒤 age를 1 증가시킵니다. 이 과정을 계속 반복합니다.
다섯 번째 과정
이 과정을 반복하다 보면 age bit가 특정 숫자 이상으로 되는 경우가 발생합니다. 이때 JVM에서 설정해놓은 age bit에 도달하게 되면 오랫동안 쓰일 객체라고 판단하고 Old generation 영역으로 이동시킵니다. 이 과정을 프로모션(Promotion)이라고 합니다.
마지막 과정
시간이 지나 Old영역에 할당된 메모리가 허용치를 넘게 되면, Old 영역에 있는 모든 객체들을 검사하여 참조되지 않는 객체들을 한꺼번에 삭제하는 GC가 실행됩니다. 이렇게 Old generation영역의 메모리를 회수하는 GC를 Major GC라고 합니다. Major GC는 시간이 오래 걸리는 작업이고 이때 GC를 실행하는 스레드를 제외한 모든 스레드는 작업을 멈추게 됩니다. 이를 'Stop-the-World' 라 합니다. 이 작업이 너무 잦으면 프로그램 성능에 문제가 될 수 있습니다.
가비지 컬렉션의 단점
-
개발자가 메모리가 언제 해제되는지 정확하게 알 수 없다.
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가비지 컬렉션(GC)이 동작하는 동안에는 다른 동작을 멈추기 때문에 오버헤드가 발생한다.
가비지 컬렉션에는 장점만 있는 것이 아니라 단점도 존재합니다. 대표적으로는 위의 2가지 단점이 존재하는데요. 이 중에서 경우에 따라서 문제가 발생할 수 있는 부분은 GC가 동작하는 동안에는 JVM의 다른 동작들은 잠깐 멈추기 때문에 오버헤드가 발생한다는 점입니다. 이로 인해 GC가 너무 자주 실행되면 소프트웨어 성능 하락의 문제가 되기도 합니다. 이러한 특성으로 인해 실시간으로 계속 동작해주어야 하는 시스템들 예를 들자면 열추적 미사일의 경우에는 잠깐의 소프트웨어 일시정지로도 목표한 결과가 달라질 수 있기 때문에 GC의 사용이 적합하지 않을 수 있습니다.
