[JVM 톺아보기] JVM의 메서드 영역 (feat. PermGen space)

Aryumka·2024년 2월 1일

JVM 톺아보기

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의문의 서막: PermGen Space

java.lang.OutOfMemoryError : PermGen space

레거시 시스템에서 java7 또는 이전 버젼을 쓸때 늘 보던 에러다.

-XX:PermSize=128m -XX:MaxPermSize=128m

위와 같은 vm arguments를 넣어 메모리를 늘려주면 해결됐는데 이걸 깜빡할 때마다 OOME가 발생하곤 했다.
JVM 내 메모리가 부족하다는 정도로만 이해했는데 왜 고정사이즈로 되어있는 건지 또 디폴트 사이즈는 어째 이리 작은건지 어리둥절했다.

이후 사내 솔루션 웹 전환을 맡고 나서는 위 오류를 볼 수 없었고 금새 기억에서 사라졌다.
그리고 이제 와서야 왜 저 에러를 다시 볼 수 없었는지를 알게 되었다.

이유는 바로 자바 8 이후로 PermGen이 Metaspace로 대체되었고 8.0이후에는 자동으로 동적으로 조절되기 때문이었다.

JVM의 메모리 구조

PermGen과 Metaspace에 대해 알아보기 전에 먼저 간략한 JVM의 메모리 구조부터 정리해보자.

JVM 메모리 풀은 크게 on-heap, off-heap 두 가지로 나뉜다.

on-heap 영역은 우리가 흔히 알고 있는 힙 영역으로 동적으로 생성되는 객체들이 저장되는 영역이다. JVM의 메인 영역이라 볼 수 있으며 GC(가비지 컬렉터)의 주요 관리 대상이다.

off-heap 영역은 메인 힙 영역을 제외한 영역으로 대개 GC의 관리 대상이 아니다. 주로 생명주기가 긴 정적 데이터들이 저장된다.
위에서 언급한 PermGen과 Metaspace가 바로 여기에 속한다. 그리고 off-heap 중에서도 메서드 영역에 속한다.

JVM 메모리 풀

힙 영역 일반적인 자바 힙. JVM 실행 중 생성되는 자바 객체들이 저장된다. 모든 JVM 쓰레드에 의해 전역적으로 참조된다.
메서드 영역 클래스, 메서드, 필드 등의 클래스와 관련된 모든 메타데이터, 그리고 런타임 상수 풀(runtime constant pool)이 저장된다. 모든 JVM 쓰레드에 의해 전역적으로 참조된다.
코드 캐시 JIT 컴파일러에 의해 컴파일된 코드들이 저장되는 영역이다.
네이티브 메모리 영역 OS에 의해 관리되는 가용 시스템 메모리이다.

메서드 영역

JVM 공식 스펙에서는 메서드 영역으로 일컫어지지만 흔히 클래스 정보를 저장하기에 클래스 영역 또는 정적인 정보를 저장하기에 스태틱 영역이라고 불리기도 한다.

메서드 영역은 JVM 실행 후 클래스 로딩 단계에서 클래스로더에 의해 *.class 파일들의 바이트코드가 메모리로 로딩될 때 할당된다. 이 때 JVM의 런타임 데이터 영역(Runtime Data area)에 바이트코드에 담긴 데이타를 배치한다.

이후 힙 영역의 객체들이 클래스의 메타데이타를 참조할 때 바로 이 메서드 영역을 찾아가 참조한다.

그림을 통해 최대한 추상적으로 표현해보았다.
세부 구조는 위와 같이 단순하지 ~~허접하지~~ 않으며 JVM 공식 스펙에서 힙과 메서드 영역의 내부 디자인에 대해 관여하지 않기 때문에 벤더마다 상이할 수 있다.

메서드 영역은 다음과 같은 클래스별 정보를 저장한다.

클래스로더에 대한 참조
런타임 상수 풀(Run Time Constant Pool)
- 숫자 상수값
- 필드 참조: 클래스 내부의 필드 참조
- 메서드 참조: 클래스 내부의 메서드 참조
- 속성: 클래스 또는 메서드에 대한 부가 정보
각 필드의 이름, 타입, 접근제어자, 속성
각 메서드의 이름, 리턴 타입, 파라미터 타입 (순서대로), 접근제어자, 속성
메서드 코드
- 바이트코드
- 피연산자 스택 크기(Operand stack size)
- 지역 변수 크기
- 지역 변수 테이블
- 예외 테이블

이렇게 저장된 정보는 런타임동안 계속 존재하며 모든 스레드에 의해 지속적으로 참조된다.
일반적으로는 클래스 메타데이타는 클래스가 로드될 때 정적으로 저장되기 때문에 동시성의 문제가 발생하지 않는다.. ~~리플렉션 등을 통해 프로그램 실행 중 동적으로 바뀌지 않는다면...~~

그래서 PermGenSpace와 MetaSpace는 뭐가 다를까

둘 다 메서드 영역이지만 다르다. 가장 큰 차이점은 바로 사용하는 메모리 영역이다.

PermGenSpace는 힙 영역이며 따라서 앞에서 언급했듯 고정된 메모리를 사용, 가능한 최대 크기는 힙의 크기라고 볼 수 있다. 기본 사이즈는 32비트 JVM에서 64 MB, 64비트 버젼에서 82 MB이다.
이와 반대로 Metaspace는 네이티브 영역, 즉 OS에 의해 관리되는 메모리에 존재하며 그 크기가 가변적이다. 가능한 최대 크기는 시스템의 가용 메모리가 된다.

Metaspace는 비록 네이티브 영역에 존재하며 상대적으로 용량이 넉넉하지만, 최대 용량이 찰 경우 GC가 발동한다. 참조되지 않는 클래스 메타데이터는 삭제된다.

관련 옵션은 아래와 같은 VM 옵션으로 설정할 수 있다.

MetaspaceSize: 초기 크기를 설정. JVM은 이 크기를 초과하면 Metaspace의 크기를 동적으로 조정할 수 있다.
MaxMetaspaceSize: 최대 크기를 설정. Metaspace가 이 크기를 초과하면 OutOfMemoryError가 발생.
MinMetaspaceFreeRatio: 가비지 컬렉션 후에 클래스 메타데이터 용량의 최소 비율. 즉, 가비지 컬렉션 이후 특정 비율 이상의 여유 공간이 있어야 한다.
MaxMetaspaceFreeRatio: 가비지 컬렉션 후에 클래스 메타데이터 용량의 최대 비율.

참고로 PermGenSpace의 경우 java 8 이후 제거되면서 관련된 VM 옵션들도 모두 Deprecated되었다.

결론적으로는 시스템 가용메모리를 모두 사용할 수 있고 GC까지 작동하니 메모리 관점에서 아주 편해졌다고 할 수 있다.

하지만 Metaspace 또한 언제든 메모리 누수가 발생할 수 있으며 최악의 경우 어플리케이션 뿐만이 아닌 전체 시스템에 영향을 미친다는 점에서 주의를 기울여야 관리해야 한다.