[이펙티브 자바] 아이템 7. 다 쓴 객체 참조를 해제하라

lychee·2021년 1월 11일
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🔗 아이템 7. 다 쓴 객체 참조를 해제하라

💎 메모리 직접 관리, 메모리 누수의 주범

자바에 GC(가비지 콜렉터)가 있기 때문에, GC가 다 쓴 객체를 알아서 회수해간다고 해서 메모리 관리에 더 이상 신경쓰지 않아도 된다는 것은 오해다.

아래 Stack을 사용하는 프로그램을 오래 실행하다 보면 점차 GC 활동과 메모리 사용량이 늘어나 결국 성능이 저하될 것이다.

과연 메모리 누수가 일어나는 위치는 어디일까?

public class Stack {
    private Object[] elements;
    private int size = 0;
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    public Stack() {
        elements = new Object[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
    }

    public void push(Object e) {
        ensureCapacity();
        elements[size++] = e;
    }

    public Object pop() {
        if (size == 0)
            throw new EmptyStackException();
        return elements[--size];
    }

    /**
     * 원소를 위한 공간을 적어도 하나 이상 확보한다.
     * 배열 크기를 늘려야 할 때마다 대략 두 배씩 늘린다.
     */
    private void ensureCapacity() {
        if (elements.length == size)
            elements = Arrays.copyOf(elements, 2 * size + 1);
    }
}

이 코드에서는 스택이 커졌다가 줄어들었을 때 스택에서 꺼내진 객체들을 가비지 컬렉터가 회수하지 않는다.
이 스택이 그 객체들의 다 쓴 참조(obsolete reference)를 여전히 가지고 있기 때문이다.
스택에 계속 쌓다가 많이 빼내도 스택이 차지하고 있는 메모리는 줄어들지 않는다.
가용한 범위(유의미한 값들을 갖고 있는 부분)는 elements배열의 인덱스가 size 보다 작은 부분이고, 그 값보다 큰 부분에 있는 값들은 필요없이 메모리를 차지하고 있는 부분이다.

→ 해당 참조를 다 썼을 때 **null 처리(참조 해제)** 하면 된다.

public Object pop() {
    if (size == 0)
        throw new EmptyStackException();
    Object result = elements[--size];
    elements[size] = null; // 다 쓴 참조 해제
    return result;
}

각 해당 원소의 참조가 더이상 필요 없어지는 시점(Stack에서 꺼낼 때, 사용이 완료됨)에 null로 설정하여 다음 GC가 발생할 때 레퍼런스가 정리되게 한다. 만약 null 처리한 참조를 실수로 사용하려 할 때 프로그램이 NullPointerException을 던지며 종료할 수 있다. (그 자리에 있는 객체를 비우지 않고 실수로 잘못된 객체를 돌려주는 것보다는 차라리 괜찮다. null 처리 하지 않았다면 잘못된 일을 수행할 것이다.)

왜 메모리 누수에 취약했을까?

일반적으로 자기 메모리를 직접 관리하는 클래스라면 항시 메모리 누수에 주의해야 한다.
원소를 다 사용한 즉시 그 원소가 참조한 객체들을 다 null 처리해줘야 한다.

스택이 자기 메모리를 직접 관리하기 때문이다.
이 스택은 elements배열로 저장소 풀을 만들어 원소들을 관리한다.
배열의 "활성 영역"에 속한 원소들이 사용되고 비활성 영역은 쓰이지 않는다.
→ 하지만 가비지 컬렉터는 이 사실을 알 길이 없다. 가비지 컬렉터가 보기에는 비활성 영역에서 참조하는 객체도 똑같이 유효한 객체다. 비활성 영역의 객체가 더 이상 쓸모 없다는 건 프로그래머만 아는 사실이다.

→ 프로그래머는 비활성 영역이 되는 순간 null 처리해서 해당 객체를 더는 쓰지 않을 것임을 가비지 컬렉터에게 알려야 한다.

객체 참조를 null 처리하는 일은 예외적이어야 한다.

그렇다고 필요 없는 객체를 볼 때마다 null 처리하면, 오히려 프로그램을 필요 이상으로 지저분하게 만든다.
객체 참조를 null 처리하는 일은 예외적인 상황에서나 하는 것이지 평범한 일이 아니다.

필요없는 객체 레퍼런스를 정리하는 최선책은 그 레퍼런스를 가리키는 변수를 특정한 범위(scope)안에서만 사용하는 것이다. 변수의 범위를 가능한 최소가 되게 정의했다면(item 57) 이 일은 자연스럽게 이뤄진다.

Object pop() {

	Object age = 24;

	...

	age = null; // X
}

Object age는 scope이 pop()안에서만 형성되어 있으므로 scope 밖으로 나가면 무의미한 레퍼런스 변수가 되기 때문에 GC에 의해 정리가 된다. (굳이 null 처리 하지 않아도 됨)

언제 레퍼런스를 null 처리 해야 하는가?

메모리를 직접 관리하는 클래스는 메모리 누수를 조심해야 한다.

메모리를 직접 관리할 때, Stack 구현체처럼 elements라는 배열을 관리하는 경우에 GC는 어떤 객체가 필요 없는 객체인지 알 수 없으므로, 해당 레퍼런스를 null로 만들어 GC한테 필요없는 객체들이라고 알려줘야 한다.

 

💎 캐시, 메모리 누수의 주범

캐시를 사용할 때도 메모리 누수 문제를 조심해야 한다. 객체의 레퍼런스를 캐시에 넣어 놓고, 캐시를 비우는 것을 잊기 쉽다. 여러 가지 해결책이 있지만, 캐시의 키에 대한 레퍼런스가 캐시 밖에서 필요 없어지면 해당 엔트리를 캐시에서 자동으로 비워주는 WeakHashMap을 쓸 수 있다.

캐시 구현의 안 좋은 예 - 객체를 다 쓴 뒤로도 key를 정리하지 않음.

public class CacheSample {
	public static void main(String[] args) {
		Object key = new Object();
		Object value = new Object();

		Map<Object, List> cache = new HashMap<>();
		cache.put(key, value);
		...
	}
}

key의 사용이 없어지더라도 cache가 key의 레퍼런스를 가지고 있으므로, GC의 대상이 될 수 없다.

해결 - WeakHashMap

캐시 외부에서 key를참조하는 동안만 엔트리가 살아있는 캐시가 필요하다면 WeakHashMap을 이용한다.
다 쓴 엔트리는 그 즉시 자동으로 제거된다. 단, WeakHashMap은 이런 상황에서만 유용하다.

public class CacheSample {
	public static void main(String[] args) {
		Object key = new Object();
		Object value = new Object();

		Map<Object, List> cache = new WeakHashMap<>();
		cache.put(key, value);
		...
	}
}

캐시 값이 무의미해진다면 자동으로 처리해주는 WeakHashMap은 key 값을 모두 Weak 레퍼런스로 감싸 hard reference가 없어지면 GC의 대상이 된다.

즉, WeakHashMap을 사용할 때 key 레퍼런스가 쓸모 없어졌다면, (key - value) 엔트리를 GC의 대상이 되도록해 캐시에서 자동으로 비워준다.

또는 시간이 지나면 캐시값이 의미가 없어지는 경우에 백그라운드 쓰레드를 사용하거나 (ScheduledThreadPoolExecutor), 새로운 엔트리를 추가할 때 부가적인 작업으로 기존 캐시를 비우는 일을 할 것이다. (LinkedHashMap 클래스는 removeEldestEntry라는 메서드를 제공한다.)

참고) Weak 레퍼런스

객체 만들듯이 만드는 모든 레퍼런스는 전부 Strong 레퍼런스.

WeakReference weakWidget = new WeakReference(widget);
Strong 레퍼런스를 Weak 레퍼런스로 감싸면 Weak 레퍼런스가 된다.

Garbage Collection 대상이 되려면 해당 객체를 가리키는 레퍼런스가 전부 없어져야 한다.

Weak 레퍼런스는 Strong한 레퍼런스가 없어지면 Weak 레퍼런스도 GC의 대상이 될 수가 있다.
widget을 가리키던 레퍼런스가 없어지면 weakWidget도 가비지 컬렉션 대상이 된다.

 

💎 콜백, 메모리 누수의 주범

세번째로 흔하게 메모리 누수가 발생할 수 있는 지점으로 리스너와 콜백이 있다.

클라이언트 코드가 콜백을 등록할 수 있는 API를 만들고 콜백을 뺼 수 있는 방법을 제공하지 않는다면, 계속해서 콜백이 쌓이기만 할 것이다. 이것 역시 WeakHashMap을 사용해서 콜백을 Weak 레퍼런스로 저장하면 GC가 이를 즉시 수거해 해결할 수 있다.
ex) WeakHashMap에 키로 저장하면 된다.

 

💎 결론

메모리 누수는 겉으로 잘 드러나지 않아 시스템에 수년간 잠복하는 사례도 있다. 이런 누수는 철저한 코드 리뷰나 힙 프로파일러 같은 디버깅 도구를 동원해야만 발견되기도 한다. 그래서 이런 종류의 문제는 예방법을 익혀두는 것이 매우 중요하다.

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