GC (Garbage Collector) - Java 8 기준

Java Garbage Collection (GC)

Java의 Garbage Collection은 자동 메모리 관리를 위한 기능으로,
malloc과 free등으로 수동 지시를 하지 않더라도 더 이상 참조되지 않는 객체들의 메모리 점유를 해제하는 역할을 한다.

GC는 Java Virtual Machine (JVM)에서 관리되며, Heap 영역의 메모리를 감시한다.

먼저 JVM의 동작 흐름을 보자.

1. 소스 파일은 자바 컴파일러(javac)에 의해 바이트 코드화 된다.
   1-1. 바이트 코드는 어셈블리어와 다르다. JVM이 이해할 수 있는 전용 저급 언어와 같다.

2. Class Loader가 Class 파일을 읽어들여 메모리에 로드한 뒤 Execution Engine에 의해 실행된다.
   2-1. Execution Engine은 로드된 Class 파일의 바이트 코드를 해석하고 실행한다.
   2-2. 실행 중에 Runtime Date Area에 실행에 필요한 메모리, 객체, 스레드, 스택 등이 저장된다.

3. Runtime Date Area의 구성은 다음과 같다.
   3-1. Method Area(Deprecated), Heap Area, Stack Area, PC register, Native Method Stack(Metaspace 포함)
   3-1-1. GC는 Heap Area에서 동작한다.

4. Heap Area는 Young Generation, Old Generation으로 구분된다.
   4-1. Java 7부터 G1GC를 지원하나, Java 8의 Default GC는 ParallelGC이다.
   4-2. Java 9부터 Default GC는 G1GC로 확정되었다. 그러므로, Java 11과 Java 17의 Default는 G1GC이다.

   4-3. G1GC 이전의 GC는
   4-3-1. ParallelGC는 이름처럼 Minor GC가 실행되는 동안 Mark, Copy, Sweep이 병렬 스레드 상에서 일어난다.
   4-3-2. 복사 알고리즘 이전에 쓰이던 레거시 방식으로 Bump the Pointer 방식이 있었다.
   4-3-3. 순환 참조 문제로 인해 ref count대신 mark & sweep을 사용한다.

   4-4. G1GC는
   4-4-1. Region 단위로 구획이 정해진다.
   4-4-2. 별다른 공간적 지역성 고려 없이 Available한 Region에 Eden, Survivor, Old, Humongous Region이 지정된다.
   4-4-2-1. Humongous Region이란 메모리 영역을 많이 차지하는, 크기가 큰 객체를 할당하기 위해 배정된 Region이다. 전통적인 GC에서는 Humongous 객체를 Young Generation을 거치지 않고 Old Generation에 직접적으로 할당해왔다.

ParallelGC (Java8 Default)

Minor GC(Young Generation)에서는 병렬 스레드 처리가 진행되지만,
Major GC(Old Generation)에서는 병렬 처리로 진행되지 않는다.

5. Minor GC(Young Generation)
   5-1. Young Generation은 Eden, Survivor0, Survivor1로 이루어져 있다.

   • Survivor0 혹은 Survivor1 중 하나는 Copy & Sweep를 위해, 또한 과정 상 반드시 비워져있다. 그렇지 않다면 GC가 정상적으로 동작하지 않고 있는 것이다.
   • Heap 메모리에 처음 적재되는 객체는 Eden 영역에 적재된다. 이 때, Eden 영역보다 크기가 큰 객체라면 곧바로 Old Generation에 적재된다. (G1GC: Humongous Region)
   • Eden 영역, 혹은 Survivor0(1) 영역이 가득 차게 되면 Minor GC가 발생한다.
   • ★참조★가 되고 있는 Reachable 객체는 Mark 되어, 비워진 채 대기중이었던 Survivor 영역으로 이전된다. (예시: (마크된) Eden+Survivor0 -> Survivor1)
   • 기존의 Eden 영역과 Survivor 영역은 Sweep하여 초기화한다.
   • GC에 의해 제거되지 않은 Survivor 내의 객체는 생존 횟수에 따른 age를 부여받는다. 일반적으로 15회 이상 생존 시 Old Generation 영역으로 promote된다. 이 때, Old Generation에 위치할 공간이 모자라다면 Major GC가 발생한다.

6. Major GC(Old Generation)
   6-1. Old Generation은 Young Generation보다 넓은 공간을 가지고 있다. (Java 8 Default: Young 33%, Old 67%)
   6-2. Young Generation에서 Promote를 거쳐 적재된 자주 쓰이는 객체와, Humongous한 크기의 객체가 이 공간에 적재된다.

   6-3. Major GC가 발생하는 경우

   • Old Generation의 공간이 부족한 경우
   • Promote 된 객체가 저장될 공간이 부족한 경우
   • Humongous한 객체가 저장될 공간이 부족한 경우
   • 명시적으로 GC를 호출한 경우
   • Old Generation 영역의 객체가 동적으로 변경되어 커지는 경우 (드묾)

   6-4. Mark & Sweep & Compaction. Minor GC와 달리 복사 알고리즘을 사용하는 것이 아닌,
   Mark된 Reachable 객체만을 남기고 Unreachable 객체를 삭제한 뒤
   Compaction을 통해 파편화된 메모리를 정리하고 연속적인 메모리 블록으로 객체들을 이동시키는 작업을 수행한다.

명시적인 GC 호출이 권장되지 않는 이유

명시적인 GC 호출, 즉 System.gc()가 권장되지 않는 이유는 크게 3가지가 있다.

1. STW(Stop The World)는 최소화 될 수록 좋다.

2. Major GC를 호출하는 것이기 때문이다.
   2-1. Major GC는 Minor GC에 비해 10배 이상 느리다.

   • 모든 Heap 메모리 영역에서 Mark & Sweep & Compaction 과정이 일어나기 때문이다.
   • 기본적으로 Young Generation보다 공간이 넓기도 하지만, Old Generation에서 파편화를 정리하는 Compaction 알고리즘은 Copy 알고리즘보다 느리다.
   • Copying 알고리즘은 Reachable 객체만 복사해서 메모리를 정리하면 되는데, Compaction 알고리즘은 객체들을 이동시키는 작업을 수행해야 하기 때문.

   2-2. 어차피 GC가 즉시 불러와지지 않는다. JVM이 시스템 상황을 보고 실행 시점을 최적화하기 때문에 의미가 없다.

다음 포스팅은 Java9부터 Default GC가 된, Java11과 Java17에서도 여전히 Default GC인 G1GC에 대해 기록해 보려고 합니다.