JavaScript의 GC

민하수·2025년 7월 6일

JavaScript

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가비지 컬렉션(GC)

프로그래밍 언어에서 동적으로 할당된 메모리 중 더 이상 사용되지 않는 영역, 즉 '쓰레기'를 자동으로 찾아 제거하여 메모리 공간을 확보하는 자동 메모리 관리 기법

⦿ 메모리 생존 주기
1. 메모리 할당
원시 타입의 값들은 스택 영역에 저장, 참조 타입의 값은 힙 영역에 저장되며 그 주소값은 스택 영역에 저장된다. 변수 식별자는 스택의 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경에 저장!

2. 할당된 메모리 사용(참조)
v8 엔진에 의해 전역 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경에 있는 식별자를 참조
3. 메모리 해제
C나 C++은 free(), malloc()으로 수동으로 해제해야 하지만 JavaScript는 자동으로 관리를 해준다. 어떻게??

가비지 컬렉션 알고리즘

① Reference-Counting
자신을 참조하는 객체의 개수를 카운팅하고, 참조 되지 않는 객체가 있다면 수거

순환 참조 문제

let obj1 = {};
let obj2 = {};

obj1.a = obj2;
obj2.b = obj1;

obj1 = null;
obj2 = null;

obj1과 obj2는 null이 되었지만 서로 참조하기 때문에 할당된 메모리를 해제하지 않는다. → 메모리 누수

② Mark-and-Sweep

루트에서 도달 가능한 객체를 표시한다
루트에서 접근이 불가능한 객체를 수거한다

V8 메모리 구조

자바스크립트는 단일 스레드 언어이기 때문에, V8 엔진은 자바스크립트 컨텍스트마다 하나의 독립된 실행 환경(V8 인스턴스)을 사용한다.
Resident Set은 실행 중인 프로그램이 실제 물리 메모리에서 차지하고 있는 메모리 영역을 뜻한다.

⦿ 힙 메모리
V8 엔진은 힙 메모리에 객체나 동적 데이터를 저장한다. 또한, 가비지 컬렉션(GC)이 발생하는 곳이다

New space(Young generation): 새로 만들어진 Object가 저장
Old space(Old generation): New space의 마이너 가비지 컬렉션이 2번 발생한 후 살아남은 객체들이 저장
- Pointer space: 살아남은 객체들을 가지며, 이 객체들은 다른 객체를 참조
- Data space: 문자열, 실수 등의 데이터만 가진 객체들(다른 객체를 참조하지 않는다)을 가짐

V8 메모리 관리: 가비지 컬렉션

객체는 New space의 Semi space에 할당되며 메모리 영역이 모두 할당되면 Minor GC가 발생한다
GC로부터 살아남으면 다른 Semi space로 이동한다
또 한 번의 GC로부터 살아남으면 Old space로 이동한다

The Generaional Hypothesis
대부분의 경우 새로운 객체가 오래된 객체보다 쓸모없어질 가능성이 높다는 가설

⦿ 마이너 GC

New space의 쓸모없어진 객체를 수집해주는 마이너 GC
마이너 GC에서 살아남은 객체는 비어있는 영역으로 대피(evacuation)를 한다
→ 2개의 Semi space에서 1개는 언제나 비어있다
비어있는 영역을 To space, 머무르는 영역을 From space라고 한다
From space에서 To space로 이동할 때 객체들은 연속적인 메모리로 이동하여 메모리 단편화를 주기적으로 방지한다

대피가 완료되면 From space에 있는 쓸모없는 객체들은 버리고, From space와 To space의 역할을 바꾼다

From space에서 2번 생존한 객체는 To space가 아닌 Old space로 이동한다

⦿ 메이저 GC

Old 영역의 메모리가 충분하지 않다고 판단될 때 발생한다
Mark-Sweep-Compact 알고리즘과 Tri-color 알고리즘을 사용한다

① 마킹(Marking)
어떤 객체가 GC 대상인지 알아내기 위한 단계로 힙 메모리를 방향 그래프로 간주해 깊이 우선 탐색을 수행하며 Tri-color(white, gray, black)로 마킹을 한다.

white: GC가 아직 탐색을 하지 못한 상태
gray: 탐색은 했으나 해당 객체가 참조하고 있는 객체가 있는지 확인을 안한 상태
black: 해당 객체가 참조하고 있는 객체까지 확인을 한 상태

1. 모든 객체를 흰색으로 마킹
2. root 객체를 모두 회색으로 마킹한 후 덱에 push_front
3. 덱에서 pop_front로 객체를 꺼내 검은색으로 마킹
4. 검은색으로 마킹된 객체가 참조하는 객체들을 회색으로 마킹하고 덱에 push_front
	- 흰색 → 회색인 경우에만 push_front
    - 여러 객체가 참조하는 경우 이미 회색 or 검은색일 수 있음
5. 3~4번 과정을 덱이 빌 때까지 반복

let obj1 = {
  x: {
    y: 1
  }
};

let obj2 = obj1;
obj1 = 10;

let obj3 = obj2.x.y;
obj2 = 'happy';

obj3 = null;

② 스위핑(Sweeping)
GC가 힙 메모리 순회하면서 흰색으로 마킹된 객체들의 메모리 주소를 기록한다. 이 주소는 free-list에서 사용 가능하다고 표시되며 다른 객체들을 저장하는 데 사용할 수 있다.

③ 압축(Compacting)
스위핑이 일어난 다음 메모리 단편화가 심한 페이지들을 재배치하여 메모리를 확보한다.

Orinoco: 최적화

마이너 GC와 메이저 GC가 수행될 때 stop-the-world(프로그램 일시 중단)이 발생한다. 이 시간이 길어질수록 프로그램의 응답성과 성능이 저하된다. 이를 개선하기 위해 V8은 Orinoco 프로젝트를 통해 V8의 성능을 향상시켜왔다.

⦿ Parallel
메인 스레드와 헬퍼 스레드들이 동시에 하나의 GC 작업을 협력하여 처리한다.
스레드 간 동기화로 인해 일부 오버헤드는 발생하지만, 그만큼 stop-the-world 시간이 크게 줄어든다.

⦿ Incremental
GC 작업이 작은 단위로 나뉘어, 메인 스레드 실행 도중에 짧게 끼어들며 수행된다. 이 방식은 GC에 소요되는 시간을 여러 시점에 분산시켜, 메인 스레드의 응답성을 높이고 더 나은 사용자 경험(UX)을 제공한다.

⦿ Concurrent
메인 스레드는 GC 작업에 관여하지 않고, 헬퍼 스레드들이 해당 작업을 백그라운드에서 수행한다. GC 작업이 완전히 백그라운드에서 처리되기 때문에, 메인 스레드는 자바스크립트 코드를 자유롭게 실행할 수 있다.

⦿ Idle-time GC
Idle GC는 메인 스레드의 유휴 시간을 활용해 GC 작업을 미리 수행하는 기법이다.
예를 들어, 1초에 60프레임을 렌더링해야 하는 크롬 브라우저는 약 16ms 간격으로 프레임을 처리한다. 만약 한 프레임을 그리는 데 16ms보다 적은 시간이 걸리면, 남은 시간 동안 크롬은 유휴 상태가 된 메인 스레드를 활용해 가비지 컬렉션(GC) 작업을 수행한다.