[JAVA] Garbage Collection

mingsso·2023년 10월 8일

Java-Kotlin

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1️⃣ Garbage Collection(GC)이란

메모리 관리 기법, 프로그램이 동적으로 할당했던 메모리 영역 중 필요 없게 된 영역을 해제하는 기능

동적으로 할당했던 메모리 영역 - 힙 영역(인스턴스 저장)의 메모리
필요 없게 된 영역 - 어떤 변수도 가리키지 않게 된 영역

ex)

String str1 = new String("My String");
String str2 = new String("Your String");

str1 = null;   // 참조 관계 소멸
str2 = null;   // 참조 관계 소멸

즉 인스턴스에 레퍼런스가 있다면 Reachable(객체가 참조되고 있는 상태)로 구분되고, 객체에 유효한 레퍼런스가 없다면 Unreachable(객체가 참조되고 있지 않은 상태)로 구분해 수거해버림

장점

메모리를 수동으로 관리하던 것에서 비롯된 에러를 예방할 수 있음
- 개발자의 실수로 인한 메모리 누수: 더이상 필요하지 않은 메모리가 해제되지 않고 남아있는 에러 → 메모리 누수가 반복되면 메모리 고갈로 프로그램이 중단될 수 있음
- 해제된 메모리를 또 해제하는 이중 해제
- 해제된 메모리에 접근

C와 C++에서 힙 영역의 메모리를 사용하기 위해서는 개발자가 직접 동적 메모리 영역을 할당 받고 해제해야 했지만, Java에서는 동적 메모리 영역 관리를 GC가 알아서 수행해주므로 편하게 개발에 집중할 수 있음

단점

GC의 메모리 해제 시점을 개발자가 정확히 알기 어려움
어떤 메모리를 해제할지 결정하는데 비용이 듦 → GC가 동작하는 동안에는 다른 동작을 멈추기 때문에 오버헤드가 발생함(=Stop-The-Word 현상, STW 현상)

2️⃣ Garbage Collection의 알고리즘

1. Tracing(추적) 알고리즘

Java, C#, Go 등 많은 언어들이 이 기법을 사용하고 있음

1-1. Mark And Sweep (표시하고 쓸기)

가장 기본적인 GC 알고리즘

각 메모리 할당 영역에 표시를 위해 1비트의 메모리(flag)를 남겨둠
Mark 과정: 프로그램 실행 중 적절한 타이밍에 GC Root 전체를 순회하며 사용하고 있는 영역의 flag를 ‘사용중’ 상태로 설정함

💡 GC Root

GC Root에서 시작해 이 Root가 참조하는 모든 객체, 또 그 객체들이 참조하는 다른 객체들을 탐색해 내려가며 마크할 수 있음

GC Root가 될 수 있는 것: 실행 중인 스레드, 정적 변수, 로컬 변수, JNI 레퍼런스

Sweep 과정: Mark 되지 않은 영역(참조하고 있지 않은 객체)를 힙에서 제거함

Compact 과정: Sweep 후 분산된 객체들을 힙의 시작 주소로 모아 메모리가 할당된 부분과 그렇지 않은 부분으로 압축함 (GC 방식에 따라 수행하지 않는 경우도 있음)

Mark 단계에서 메모리 내용이 변경되지 않아야 하기 때문에, 전체 시스템의 실행이 정지된다는 문제점이 있음

1-2. Tri-Color Marking (삼색 표시 기법)

기본적으로 Mark And Sweep와 같은 기법이지만 표기 단계에서 2가지가 아닌 3가지 정보 중 하나로 메모리를 표시한다는 차이가 있음

각각의 객체를 흰색, 회색, 검은색으로 분리함 → 알고리즘이 시작할 때는 변수가 가리키는 객체들이 회색으로 표시되며, 그 외 모든 객체는 흰색으로 표시됨
- 흰색은 더이상 접근이 불가능한 객체를 가리킴
- 회색은 접근 가능한 객체를 가리킴, 단 회색 객체가 참조하는 다른 객체들은 아직 검사되지 않았음을 의미
- 검은색은 접근 가능한 객체이면서, 검은색 객체가 참조하는 다른 객체들도 흰색 객체를 참조하지 않음을 의미

회색으로 표시된 객체 중 하나를 선택해 검은색으로 표시하고, 이 객체가 가리키는 모든 객체들을 회색으로 표시함

회색 객체가 하나도 남지 않을 때까지 위 과정을 반복함

남은 흰색 객체는 접근 불가능한 객체이므로 모두 해제함

프로그램 실행 중에도 병행하여 수행할 수 있다는 장점
단, Marking 중간에 메모리 내 참조가 수정되면 잘못 Marking 되는 경우가 생길 수 있음

1-3. Generational GC (세대별 쓰레기 수집)

접근 불가능한 객체들의 대부분이 생성된지 얼마 안된 것이라는 사실이 많은 프로그램을 통해 통계적으로 관찰됨

위의 특성을 이용해 각각의 객체를 할당된 시간에 따라 세대별로 구분하여, 각 세대별로 서로 다른 메모리 영역에 객체를 할당함
만약 한 세대의 메모리 영역이 꽉 차면, 이 메모리 영역에서 살아남은 객체를 더 오래된 메모리 영역으로 옮김

Old 영역
- Young 영역에서 Reachable 상태를 유지하여 살아남은 객체가 복사되는 영역
- Young 영역보다 크게 할당되며, 영역의 크기가 큰 만큼 가비지는 적게 발생함
- Old 영역에 대한 가비지 컬렉션을 Major GC 또는 Full GC라고 부름

Young 영역
- 새롭게 생성된 객체가 할당되는 영역
- 대부분의 객체가 금방 Unreachable 상태가 되기 때문에, 많은 객체가 Young 영역에 생성되었다가 사라짐
- Young 영역에 대한 가비지 컬렉션을 Minor GC라고 부름
- Eden 영역
  - new를 통해 새로 생성된 객체가 위치함
  - 정기적인 가비지 수집 후 살아남은 객체들은 Survivor 영역으로 보냄
- Survivor 0 / Survivor 1
  - 최소 1번 이상의 GC에서 살아남은 객체가 존재하는 영역
  - Survivor 0 또는 Survivor 1 둘 중 하나는 꼭 비어 있어야 함

1-3-1. Minor GC 과정

객체가 계속 생성되어 Eden 영역이 꽉 차게 되면 Minor GC가 실행됨

Mark 동작을 통해 reachable 객체를 탐색함
Eden 영역에서 살아남은 객체는 Survior 0으로 이동하고, Eden 영역에서 사용되지 않는 unreachable 객체는 메모리를 해제시킴 → 살아남은 모든 객체들은 age값이 1씩 증가함
또다시 Eden 영역이 가득 차게 되면 다시 한 번 Minor GC를 발생하고 Mark함
reachable한 객체는 비어있는 Survior 1로 이동하고, Eden 영역에서 사용되지 않는 unreachable 객체는 메모리를 해제시킴 → 살아남은 모든 객체들은 age값이 1씩 증가함
일정 수준의 age bit를 넘어가면, 오래도록 참조될 객체라고 판단하고 해당 객체를 Old Generation으로 넘겨줌(Promotion)
- Java 8의 Parallel GC 방식 기준으로 age bit가 15가 되면 Promotion을 진행함

+) 보충 자료

살아남은 객체를 Survivor 0으로 옮기는 도중에 Survivor 0이 가득 차버림 -> Minor GC가 실행됨

1-3-2. Major GC 과정

객체들이 계속 Promotion되어 Old 영역의 메모리가 부족해지면 발생함

Old 영역은 Young 영역에 비해 큰 공간을 가지고 있기 때문에 Minor GC에 비해 10배 이상의 많은 시간이 소모됨 → Stop-The-World 문제 발생

2. Reference Counting(참조 횟수 계산) 알고리즘

한 메모리에서 다른 메모리를 참조하면 그 다른 메모리의 참조 횟수에 1을 더하고, 참조를 중단하면 참조 횟수에 1을 뺌 → 참조 횟수가 0이 되면 바로 소멸됨

PHP와 Swift 언어에서 주된 GC 기법으로 사용함

장점
- 추적 알고리즘에 비해 구현이 간단함
- 실제로 접근이 불가능해지는 시점과 그러한 접근이 불가능해지는 것을 알아내는 시점이 떨어져 있는 추적 알고리즘에 비해 메모리 해제가 빠르게 이루어짐

단점
- 모든 대입문에 대해 참조횟수를 변경하도록 작성해야 하기 때문에 오버헤드가 발생하여 프로그램이 느려질 수 있음
- 순환 참조 문제가 발생할 수 있음 (A가 B를 가리키고 B가 A를 가리키면 둘 다 참조횟수가 1이 되는데, A와 B 모두 접근할 수 없는 경우에도 둘 다 참조 횟수가 0이 아니라서 해제할 수 없음)

3️⃣ 자바의 Garbage Collection의 방식 종류

Serial GC

서버의 CPU 코어가 1개일 때 사용하기 위해 개발된 가장 단순한 GC
GC를 처리하는 스레드가 1개이기 때문에, 가장 Stop-The-World 시간이 긺
Minor GC에는 Mark-Sweep을 사용하고, Major GC에는 Mark-Sweep-Compact를 사용함
성능이 좋지 않아 보통 실무에서 사용하는 경우는 없음

Parallel GC

Java 8의 디폴트 GC
Serial GC와 기본적인 알고리즘은 같지만, Young 영역의 Minor GC를 멀티 스레드로 수행함 (Old 영역은 여전히 싱글 스레드 사용)
Serial GC에 비해 Stop-The-World 시간이 감소함

CMS (Concurrent Mark And Sweep GC)

STW 시간을 최소화하기 위해 고안된 GC
tri-color marking 알고리즘을 사용하므로 애플리케이션을 수행하는 도중에 객체 그래프가 변경될 수 있음(=참조 관계가 변경될 수 있음)
따라서 Reachable한 객체를 제거하지 않기 위해 레코드를 바로 잡는 과정이 필요함 -> GC 과정이 복잡해짐!

초기 마킹(Initial Mark): STW 발생
- 출발점(Root)에서 가장 가까운 객체만 1차적으로 찾아가며 해당 객체가 GC 대상인지 판단함
- 탐색의 길이가 얕기 때문에 STW 시간이 짧음

동시 마킹(Concurrent Mark): STW 발생하지 않음
- 애플리케이션을 동작하며 동시에 삼색 마킹 알고리즘을 수행함

재마킹(Remark): STW 발생
- 동시 마킹 단계에서 참조 관계가 새로 추가되거나 제거되었는지 객체를 확인함
- STW가 발생하며, 이를 줄이기 위해 멀티 스레드로 동작함

동시 스위프(Concurrent Sweep)
- GC 대상인 객체들을 메모리에서 제거함

이렇듯 GC 과정이 매우 복잡하기 때문에 다른 GC 대비 CPU 사용량이 높고, Compact 과정이 없기 때문에 메모리 단편화 문제가 발생할 수 있음
Java 9 버전부터 deprecated 되었고, 결국 Java 14부터는 사용이 중지됨

G1 GC

Java 9+ 버전의 디폴트 GC
기존의 GC 알고리즘에서는 힙 영역을 물리적으로 고정된 Young/Old 영역으로 나누어 사용하였지만, G1 GC는 Region이라는 개념을 새로 도입해서 사용함
- 전체 힙 영역을 Region이라는 영역으로 체스 같이 분할하여 상황에 따라 Eden, Survior, Old 등 역할을 고정이 아닌 동적으로 부여
- 메모리가 많이 차있는 Region을 인식하여 우선적으로 GC함 → 결과적으로 GC 빈도가 줄어들게 됨
- 이전의 GC들은 Young 영역에 있는 객체들이 GC가 돌 때마다 살아남으면 Eden → Survivor0 → Survivor1로 순차적으로 이동했지만, G1 GC에서는 더 효율적이라고 생각하는 위치로 객체를 재할당함
- 즉, Survivor1 영역에 있는 객체가 Eden 영역으로 할당하는 것이 더 효율적이라고 판단될 경우 Eden 영역으로 이동시킴

ZGC

Java 15에 release
대량의 메모리 처리를 위해 디자인 된 GC
ZGC는 ZPage라는 영역을 사용함 → G1의 Region은 크기가 고정적이지만, Zpage는 2MB 배수로 동적으로 운영됨 (큰 객체가 들어오면 2의 배수만큼 영역을 늘려 처리)
힙 영역의 크기가 증가하여도 Stop-The-World의 시간이 절대 10ms를 넘지 않는다는 것을 최대 장점으로 내세움