🐶GC란 무엇이며 STOP THE WORLD는 왜 발생할까?

1. GC란

GC란 자바 애플리케이션에서 사용하지 않는 메모리를 자동으로 수거하는 기능이다.
C/C++같은 언어는 메모리를 할당하고 직접 해제해야 했지만 자바에서는 GC를 이용하여 개발자들이 메모리 관리를 비교적 신경쓰지 않아도 된다.
JVM의 Heap 영역에서 GC가 일어나는데 전통적인 GC는 Heap영역을 고정된 영역인 Young영역과 Old영역으로 구분한다.

Young 영역

• 새로운 객체가 할당되는 영역
• young영역에서 일어나는 가비지 컬렉션을 Minor GC라고 한다.

young영역은 또 다시 3가지 영역으로 구분할 수 있다.

Eden, Survivor 0, Survivor 1

Eden

• new를 통해 생성된 객체
• 정기적인 GC 작업 이후 살아남은 객체들은 Survivor로 보내진다.

Survivor 0, Survivor 1

• 최소 1번의 GC에서 살아남은 객체가 존재한다.
• Survivor 0, Survivor 1 둘 중 하나는 꼭 비어있어야 한다.

Old 영역

• young영역에서 살아남은 객체가 복사되는 영역
• young영역보다 크게 할당되며, 영역의 크기가 큰 만큼 GC는 적게 발생한다.
• Old 영역의 대한 GC를 Major GC라고 한다.

Old 영역이 Young 영역보다 크게 할당되는 이유는 Young 영역의 수명이 짧은 객체들은 큰 공간을 필요로 하지 않으며, 큰 객체들은 곧바로 Old 영역에 할당되기 때문이다.

2. GC 동작 방식

Young영역과 Old영역은 서로 다른 메모리 구조로 되어 있기 때문에 세부적은 동작 방식은 다르지만, 기본적으로 가비지 컬렉션이 실행된다고 한다면 다음의 2가지 단계를 따르게 된다.

2-1. Stop The World
2-2. Mark and Sweep

2-1. Stop The World

Stop The World는 가비지 컬렉션을 실행하기 위해 JVM이 애플리케이션의 실행을 멈추는 작업이다. GC가 실행될 때는 GC를 실행하는 쓰레드를 제외한 모든 쓰레드들이 중단된다. 모든 쓰레드들의 작업이 중단된다면 애플리케이션 또한 중단되기 때문에 GC의 성능을 개선한다는 것은 보통 Stop The World 시간을 줄이는 작업을 하는 것이다.

그래서 왜 하는걸까? 그 이유는 두 가지가 있다.

메모리 단편화

컴퓨터 시스템에서 메모리 공간을 할당하고 해제하는 과정에서 발생하는 현상이다. 메모리 단편화는 크게 외부 단편화와 내부 단편화로 나뉘는데 외부 단편화는 메모리 할당 및 해제 작업의 반복으로 작은 메모리가 중간중간에 존재해 사용하지 않는 메모리가 존재해서 총 메모리 공간은 충분하지만 실제로 할당할 수 없는 상황이다.
반면에 내부 단편화는 메모리 공간 중 일부가 할당된 뒤 남는 공간이 발생하는 경우이다. 프로세스에 메모리를 할당할 때 요청된 크키보다 약간 더 큰 메모리 블록이 할당되는 경우가 있는데, 이 때 할당된 블록 내부에서 사용되지 않는 공간이 발생한다.

GC 또한 할당 된 메모리를 해제 하는 과정에서 메모리 공간이 새로 남는데 이를 해결하기 위해 Compaction이 일어나야 한다. 이를 위해 객체를 새로운 주소로 이동 시키고 다시 주소를 참조할 수 있게 해줘야 한다.

메모리 일관성유지

가비지 컬렉션 과정 중에는 힙 내의 객체들이 이동되거나 메모리에서 해제될 수 있다. 애플리케이션 스레드가 이러한 작업이 진행되는 동안 계속 실행된다면 스레드가 사용하려는 객체가 더 이상 유요하지 않거나 잘못된 위치에 있을 수 있다.
(Compaction이 발생해서 객체가 이동하는 과정에서 스레드가 의도치 않은 전혀 다른 객체 주소를 참조할 수도 있음)
즉, 애플리케이션 스레드가 객체 참조 시 의도치않은 상황을 피하기 위해서 stop the world를 한다.

2-2 Mark and Sweep

• Mark : 사용되는 메모리와 사용되지 않는 메모리를 식별하는 작업
• Sweep : Mark 단계에서 사용되지 않음으로 식별된 메모리를 해제하는 작업

stop the world를 통해 모든 작업을 중단시키면 GC는 Reachable 객체를 스캔하면서 사용되고 있는 메모리를 식별한다(Mark) 이후 Mark가 되지 않는 객체들을 메모리에서 제거한다(Sweep)

Minor GC의 동작 방식

객체가 새롭게 생성되면 Eden 영역에 할당된다. 그리고 Eden 영역이 꽉 차면 Minor GC가 발생하게 되는데, 사용되지 않는 메모리는 해제되고 Eden 영역에 존재하는 객체는 Survivor 영역으로 옮겨지게 된댜. Survivor 영역은 총 2개지만 반드시 1개는 비어있어야 한다. 자세히 살펴본다면 다음과 같다.

1. 새로 생성된 객체가 Eden 영역에 할당된다.
2. 객체가 계속 생성되어 Eden 영역이 꽉차게 되고 Minor GC가 실행된다.
   2-1. Eden 영역에서 사용되지 않는 객체의 메모리를 해제한다.
   2-2. Eden 영역에서 살아남은 객체는 1개의 Survivor 영역으로 이동한다.
3. 1~2 번의 과정이 반복되다가 Survivor 영역이 가득차게 되면 Survivor 영역의 살아남은 객체를 다른 Survivor 영역으로 이동시킨다.
4. 이러한 과정을 반복하여 살아남은 객체는 Old영역으로 이동(Promotion)된다.

Major GC의 동작 방식

Young 영역에서 오래 살아남은 객체는 Old영역으로 이동된다. 그리고 Major GC는 객체들이 계속 Promotion 되어 Old 영역의 메모리가 부족해지면 발생하게 된다. Young 영역은 일반적으로 크키가 작기 때문에 GC가 보통 0.5초에서 1초 사이에 끝난다. 그렇기 때문에 Minor GC는 애플리케이션에 크게 영향을 주지 않는다. 하지만 Old 영역은 Young 영역보다 크며 Young영역을 참조할 수도 있다. 그렇기 때문에 일반적으로 Minor GC보다 시간이 오래 걸리며 10배 이상의 시간을 사용한다. 참고로 Young 영역과 Old 영역을 동시 처리하는 GC는 Full GC라고 한다.

요약

GC 종류	Minor GC	Major GC
대상	Young Generation	Old Generation
실행시점	Eden 영역이 꽉 찬 경우	Old 영역이 꽉 찬 경우
실행속도	빠르다	느리다