위의 그림은 JVM(Java Virtual Machine)의 구성 요소이다.
new 명령어를 통해 생성된 새로운 인스턴스는 heap 메모리 영역에 저장된다.
이후 JVM은 GC를 통해, 더이상 참조하지 않는 인스턴스를 찾아 heap 메모리 영역에서 해제시킨다.
따라서 개발자가 메모리를 명시적으로 관리할 필요가 없어 편리하다.
Heap 영역의 구조
heap 영역은 위와 같이 크게 세 영역(Young Generation, Old Generation, Permanent Generation)으로 나뉘어진다.
객체 저장 영역을 Young과 Old로 나눈이유
결론적으로는 더욱 효율적인 메모리 관리를 위해서다.
대부분의 객체는 금방 unrechable(참조가 끊긴 상태)된다.
즉, 일부 객체만이 오랫동안 참조 상태를 유지한다는 것이며, 해당 객체들을 Old Generation 영역에 따로 보관하여 관리하는 것이 더 효율적이다.
Young Generation 영역에서의 GC(Minor GC)는 빈번하게 수행되고 적은 메모리 공간을 차지하기 때문에, 속도가 핵심이다.
Old Generation 영역에서의 GC(Major GC)는 많은 메모리 공간을 차지하기 때문에 공간 효율성이 핵심이다.
Young Generation (Minor GC)
인스턴스가 새로 생성되면, 가장 먼저 eden 영역에 할당된다.
이후 계속된 인스턴스 생성으로 인해 eden 영역이 가득차면 Minor GC가 발생하는데, 참조중인 인스턴스는 survivor 영역 중 하나로만 이동하고(Survivor 영역은 1영역과 2영역으로 나누어지는데, 두 영역 중 하나는 비어있어야한다.) 참조가 없는 인스턴스는 eden 영역에서 제거된다.
만약, 인스턴스가 이동하려는 survivor 영역의 남은 영역보다 크기가 크면 old 영역으로 이동한다.
한 survivor 영역이 가득차면 또다시 Minor GC가 발생하고, 참조중인 인스턴스는 다른 survivor 영역으로 이동하고 참조가 없는 인스턴스는 제거된다.
만약, 다른 survivor 영역으로 이동하는 인스턴스가 남아있는 survivor 영역보다 크기가 크면 old 영역으로 이동한다.
그리고 한 survivor 영역에서 다른 survivor 영역으로 이동할 때마다 age 값이 증가되고 이를 각 객체의 Header에 저장한다.
Young Generation 영역에 공간이 없다면, survivor 영역에서 age가 높은 인스턴스가 old 영역으로 이동한다. (=promotion)
- 발생하는 빈도가 높기 때문에 시간이 짧은 알고리즘이 적합하다.
- 작은 크기의 메모리를 수집하는데에 효과적이다.
Old Generation (Major GC)
old 영역에 존재하는 모든 인스턴스를 스캔 후, 더이상 참조되지 않는 인스턴스를 제거한다.
old 영역은 많은 메모리를 차지하기 때문에, Major GC는 속도가 매우 느리다.
또한, Major GC때마다 Compaction 작업이 수행되어 공간 효율성을 극대화한다.
(Compaction 작업은 뒤에서 알아보자.)
Permanent Generation
- 클래스와 메서드의 코드 및 메타데이터를 저장한다.
- 클래스의 정적 변수와 상수를 저장한다.
- 해당 영역의 크기는 제한되어있어, 수많은 클래스가 로드되면
OutOfMemoryError가 발생할 수 있다.- Java 8부터 Permanent Generation은 metaspace로 대체되었는데, metaSpace는 네이티브 메모리를 사용하여 클래스 정보를 저장하므로 크기 제한이 사라졌다.
GC의 동작방식
Stop the world
GC를 수행하는 동안에는 GC 스레드를 제외한 모든 스레드들은 일시정지되는데, 이를 stop the world라 부른다.
Major GC의 경우 Minor GC보다 시간이 많이 소요되어, Major GC의 빈도수와 시간은 애플리케이션의 성능과 안정성에 아주 큰 영향을 미친다. GC 성능 개선을 위해 튜닝을 하면, Major GC의 시간을 줄이는 것이 핵심이다.
또한, JVM에서도 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 GC 알고리즘 옵션을 제공하고 있다.
Mark and Sweep
- Mark : stop-the-world로 인해 애플리케이션이 중단되면, GC는 스택의 모든 변수 또는 reachable 객체를 스캔하면서 참조중인 인스턴스들을 탐색하고 사용되고 있는 메모리를 식별하는 작업이다.
- Sweep : Mark되지 않은 인스턴스들을 메모리에서 제거하는 작업이다.
Compact
위치가 가까운 객체라고 해서 같은 시점에 메모리에서 해제되지는 않는다.
즉, GC를 거듭하면서 메모리 파편화(메모리 내에 비어있는 공간이 서로 떨어져있어 큰 객체를 할당하기 어려운 상태)가 발생하여 메모리 공간 효율성이 떨어지게된다.
따라서 이때 수행되는 compact 작업은 Major GC가 진행되고 살아남은 참조중인 인스턴스들을 heap 메모리 영역의 아래쪽으로 모으는 작업이다.
해당 작업으로 인해 크기가 큰 객체를 메모리에 할당하기 쉬워진다.
GC 알고리즘
GC 성능 문제 해결을 위해, JVM에서는 다양한 GC 알고리즘을 옵션으로 제공하고 있다.
(JVM 버전별로 지원하는 알고리즘이 다를 수 있다.)
Serial GC
- 싱글스레드 애플리케이션에서 사용한다.
- Minor GC, Major GC에서 모두 stop-the-world한다.
- mark-sweep-compact 알고리즘을 사용한다.
Parallel GC (= Throughput GC)
- Serial GC와 동작과정은 동일하지만, Minor GC에서 멀티 스레드 방식을 사용할 수 있다. 따라서 더 빠르다.
- GC의 오버헤드는 상당히 줄었지만, stop-the-world는 그대로다.
- 메모리가 충분하고, 코어수가 높을 때 유리하다.
Parallel Old GC
- Parallel GC와 비교하여, Minor GC뿐만 아니라 Major GC에서도 멀티 스레드 방식을 사용할 수 있다.
- mark-summary-compaction 알고리즘을 사용한다.
- Java 8의 기본 GC이다.
Concurrent Mark Sweep (=CMS) GC
- Major GC 작업 중 일부 수행 시간이 짧은 작업만을 stop-the-world 방식으로 수행한다. 나머지 GC 작업은 애플리케이션과 동시에 수행한다.
- Initial Mark : stop-the world, 클래스 로더에서 가장 가까운 인스턴스들 중 참조상태의 인스턴스를 찾는다.
- Concurrent Mark : not stop-the world, 인스턴스들의 참조 상태를 확인한다.
- Remark : stop-the world, Concurrent 단계에서 새로 추가되거나 참조가 끊긴 인스턴스를 확인한다.
- Concurrent Sweep : stop-the world, 참조가 끊긴 인스턴스를 제거한다.
- 응답 속도가 중요할 때 사용한다.
- 단점
- 메모리와 CPU를 많이 사용한다.
- Compaction 작업이 수행되지 않아, 메모리 파편화가 단점이다.
G1 GC
heap 메모리 영역을 바둑판처럼 나누어 관리한다.
- Java 9의 기본 GC이다.
Reference
