🛑 JVM의 가비지 컬렉션이란?

🧐 오늘의 이야기

회사에 동료 신입 개발자 분들을 위해 정리하다가 블로그에도 정리해보면 좋을 것 같아 작성하게 되었습니다. JVM(Java Virtual Machine)에서 가비지 컬렉션(GC)은 메모리를 자동으로 관리해 주는 중요한 기능입니다. 하지만, GC가 언제 객체를 제거하는지, 어떤 방식으로 동작하는지 정확히 이해하는 것은 쉽지 않습니다. 특히, Stop-the-World(STW) 현상은 성능에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 이에 대한 이해가 필요합니다.

이번 글에서는 GC가 도달 가능성을 판단하는 방식과 개발자가 이를 어떻게 활용할 수 있는지를 설명하고, Stop-the-World란 무엇이며, 이를 최소화하는 방법까지 살펴보겠습니다. 🚀

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1️⃣ GC는 객체의 도달 가능성(Reachability)을 어떻게 판단할까? 🤔

JVM에서 가비지 컬렉션은 도달 가능성(Reachability)을 기준으로 객체를 정리합니다. 즉, 어떤 객체가 더 이상 사용되지 않는다면, 해당 객체는 GC의 대상이 됩니다.

✅ 도달 가능성 판단 기준

1. 루트 집합(Root Set): JVM은 특정 객체를 루트로 삼고, 이를 기준으로 도달 가능한 객체를 탐색합니다. 루트 집합에는 다음이 포함됩니다:

   • 스택(Stack) 영역의 지역 변수 (메서드 내부 변수 등)
   • 메서드(Method) 영역의 정적 변수 (static 변수)
   • JNI(Java Native Interface)로 생성된 객체 (네이티브 코드에서 참조하는 객체)

2. 객체 참조 그래프 탐색: 루트 집합에서부터 시작하여, 참조된 객체들을 순차적으로 탐색하며 도달 가능한 객체를 식별합니다.

3. 도달 불가능 객체(Garbage) 식별: 루트 집합으로부터 참조되지 않는 객체는 GC의 대상이 됩니다.

✅ 예제 코드 (GC 대상 객체 식별)

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class GCDemo {
    static List<Object> globalList = new ArrayList<>();
    
    public static void main(String[] args) {
        Object obj1 = new Object(); // 스택 변수 (GC 대상 X)
        globalList.add(obj1); // static 변수에서 참조 (GC 대상 X)
        
        Object obj2 = new Object(); // 새로운 객체 생성
        obj2 = null; // GC 대상이 됨

        System.gc(); // 강제 GC 요청
        
        System.out.println("GC 실행 완료!");
    }
}

obj1은 globalList에서 참조되기 때문에 GC 대상이 아닙니다. 반면, obj2는 참조가 제거되었기 때문에 GC 대상이 됩니다.

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2️⃣ 개발자가 GC에 영향을 줄 수 있을까? 🤨

Java에서는 java.lang.ref 패키지를 활용하여 GC가 객체를 정리하는 방식에 영향을 줄 수 있습니다.

✅ SoftReference와 WeakReference

• SoftReference: 메모리가 부족할 때만 GC가 해당 객체를 정리함.
• WeakReference: 참조가 약하여 GC가 실행될 때 즉시 수거될 수 있음.

✅ 예제 코드 (WeakReference 활용)

import java.lang.ref.WeakReference;

public class WeakReferenceExample {
    public static void main(String[] args) {
        Object strongRef = new Object();
        WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(strongRef);
        
        strongRef = null; // 강한 참조 제거
        System.gc(); // GC 실행 요청
        
        if (weakRef.get() == null) {
            System.out.println("객체가 GC에 의해 제거되었습니다.");
        } else {
            System.out.println("객체는 아직 살아 있습니다.");
        }
    }
}

WeakReference를 사용하면 GC가 실행될 때 객체가 더 빨리 정리됩니다.

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3️⃣ Stop-the-World(STW)란? 🛑

GC가 실행될 때 JVM은 일시적으로 모든 애플리케이션 스레드를 멈추고(GC 수행을 위해), 필요한 객체를 정리합니다. 이 현상을 Stop-the-World(STW)라고 합니다.

✅ STW가 발생하는 원인

1. GC 수행 중 객체 참조를 변경하면 데이터 무결성이 깨질 수 있기 때문
2. 객체를 안전하게 정리하기 위해 모든 작업을 중단해야 하기 때문

✅ STW 최소화하는 방법

• G1 GC 사용: STW 시간을 최소화하는 현대적인 GC 방식.
• CMS(Concurrent Mark-Sweep) GC 사용: GC를 병렬로 수행하여 멈추는 시간을 줄임.
• ZGC 사용: 최신 JVM에서 제공하는 초저지연 GC.

✅ STW 예제 코드 (STW 발생 확인)

public class StopTheWorldDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable task = () -> {
            while (true) {
                byte[] memory = new byte[10 * 1024 * 1024]; // 10MB 할당
                try {
                    Thread.sleep(50); // 메모리 증가 속도 조절
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        new Thread(task).start();
        
        while (true) {
            long start = System.currentTimeMillis();
            System.gc(); // 강제 GC 실행
            long end = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("GC 실행 시간: " + (end - start) + "ms");
        }
    }
}

이 코드에서 System.gc()를 실행하면 STW가 발생하여 애플리케이션이 멈추는 시간이 증가할 수 있습니다.

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🔥 마무리

JVM의 가비지 컬렉션은 애플리케이션 성능과 메모리 관리를 위해 필수적인 기능입니다. 하지만, Stop-the-World(STW) 현상을 최소화하고, GC 성능을 최적화하는 방법을 이해하는 것이 중요합니다.

📌 요약

✔ GC는 도달 가능성(Reachability)을 기준으로 객체를 정리한다.
✔ SoftReference와 WeakReference를 활용하면 GC 영향을 조절할 수 있다.
✔ Stop-the-World(STW)는 GC 수행 중 JVM이 애플리케이션을 멈추는 현상이다.
✔ 최신 JVM에서는 G1 GC, CMS GC, ZGC를 사용하여 STW를 줄일 수 있다.

이제 JVM의 GC 동작 방식과 STW를 이해하고, 효율적인 메모리 관리를 적용해 보세요! 🚀

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