Garbage Collection이란
- 메모리 관리 방법 중에 하나로, 시스템에서 더이상 사용하지 않는 동적 할당된 메로리 블럭을 찾아 자동으로 다시 사용 가능한 자원으로 회수하는 것
- 시스템에서 가비지컬렉션을 수행하는 부분을 가비지 컬렉터라 부른다.
- JVM은 메모리를 부여받고 프로그램을 실행하다가 메모리가 부족해지는 순간이 오면 추가적인 메모리를 더 요청한다. 요청하는 바로 이때 가비지 컬렉터가 실행된다.
더이상 필요없어진 메모리를 쓰레기(Garbage)라고 하고 이 쓰레기를 효과적으로 처리하는 작업을 GC(Garbage Collection)이라고 부른다.
Garbage Collection의 동작
- 메모리 할당
- 사용 중인 메모리 인식
- 사용하지 않는 메모리 인식
Person person = new Person(); person.setName("Garbage"); person = null; // 가비지 발생 person = newPerson(); person.setName("NewPerson");
Minor GC와 Major GC
JVM의 Heap영역은 처음 설계될 때 다음의 2가지를 전제(Weak Generational Hypothesis)로 설계되었다.
- 대부분의 객체는 금방 접근 불가능한 상태(Unreachable)가 된다.
- 오래된 객체에서 새로운 객체로의 참조는 아주 적게 존재한다.
즉, 객체는 대부분 일회성이며 메모리에 오랫동안 남아 있는 경우는 드물다. 그렇기 때문에 객체의 생존 기간에 따라 물리적인 Heap 영역을 나누게 되었는데, 이에 따라 Young, Old 총 2가지 영역으로 설계되었다. (초기에는 Perm 영역이 존재하였지만 Java8부터 제거되었다.)
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Young 영역(Young Generation)
* 새롭게 생성된 객체가 할당(Allocation)되는 영역- 대부분의 객체가 금방 Unreachable 상태가 되기 때문에, 많은 객체가 Young 영역에 생성되었다가 사라진다.
- Young 영역에 대한 가비지 컬렉션(Garbage Collection)을 Minor GC라고 부른다.
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Old 영역(Old Generation)
* Young영역에서 Reachable 상태를 유지하여 살아남은 객체가 복사되는 영역- 복사되는 과정에서 대부분 Young 영역보다 크게 할당되며, 크기가 큰 만큼 가비지는 적게 발생한다.
- Old 영역에 대한 가비지 컬렉션(Garbage Collection)을 Major GC 또는 Full GC라고 부른다.
예외적인 상황으로 Old 영역에 있는 객체가 Young 영역의 객체를 참조하는 경우도 존재할 것이다. 하지만 Young 영역에서 Minor GC가 실행될 때 모든 Old 영역에 존재하는 객체를 검사해 참조하지 않는 객체를 식별하는 것은 비효율적이므로, Old 영역에는 512 bytes의 덩어리(Chunk)로 되어 있는 카드 테이블(Card Table)이 존재한다.
Young 영역에서 가비지 컬렉션이 진행될 때 카드 테이블만 조회하여 GC의 대상인지 식별할 수 있다.
동작 방식
- Stop the world
- Mark and Sweep
Stop The World
Stop The World는 가비지 컬렉션을 실행하기 위해 JVM이 애플리케이션의 실행을 멈추는 작업이다. GC가 실행될 때는 GC를 실행하는 쓰레드를 제외한 모든 쓰레드들의 작업이 중단되고, GC가 완료되면 작업이 재개된다. 당연히 모든 쓰레드들의 작업이 중단되면 애플리케이션이 멈추기 때문에, GC의 성능 개선을 위해 튜닝을 한다고 하면 보통 stop-the-world의 시간을 줄이는 작업을 하는 것이다. 또한 JVM에서도 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 실행 옵션을 제공하고 있다
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 스택의 모든 변수 또는 Reachable 객체를 스캔하면서 각각이 어떤 객체를 참고하고 있는지를 탐색하게 된다. 그리고 사용되고 있는 메모리를 식별하는데, 이 과정을 Mark라고 한다. 이후에 Mark가 되지 않은 객체들을 메모리에서 제거하는데, 이 과정을 Sweep라고 한다.
Minor GC의 동작
- Eden: 새로 생성된 객체가 할당되는 영역
- Survivor: 최소 한 번의 GC 이상 살아남은 객체가 존재하는 영역
Eden이 꽉 차면 Minor GC가 발생한다. Survivor 영역은 두 개지만, 정상적인 상황이라면 반드시 한 개의 영역에만 데이터가 존재해야 한다.
- 새로 생성된 객체가 Eden 영역에 할당된다.
- 객체가 계속 생성되어 Eden 영역이 꽉차게 되고 Minor GC가 실행된다.
- Eden 영역에서 사용되지 않는 객체의 메모리가 해제된다.
- Eden 영역에서 살아남은 객체는 1개의 Survivor 영역으로 이동된다.
- 1~2번의 과정이 반복되다가 Survivor 영역이 가득 차게 되면 Survivor 영역의 살아남은 객체를 다른 Survivor 영역으로 이동시킨다.(1개의 Survivor 영역은 반드시 빈 상태가 된다.)
- 이러한 과정을 반복하여 계속해서 살아남은 객체는 Old 영역으로 이동(Promotion)된다.
객체의 생존 횟수를 카운트하기 위해 Minot GC에서 객체가 살아남은 횟수를 Object header의 age에 기록한다. Minor GC가 일어날 때 해당 age를 보고 Promotion 여부를 결정한다.
Major GC의 동작
Old 영역으로 Promotion된 객체들이 너무 늘어나 Old 영역의 메모리가 부족해지면 발생한다. Young 영역은 일반적으로 Old 영역보다 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 Young 영역을 참조할 수도 있다. 그렇기 때문에 Major GC는 일반적으로 Minor GC보다 시간이 오래걸리며, 10배 이상의 시간을 사용한다.
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Minor GC의 실행시간은 힙의 크기보다는 Collection에서 살아남은 객체의 수와 더욱 연관이 있다. 그렇기에 short-lived 객체를 위한 young 영역의 크기를 높인다면 GC의 실행 시간과 호출 빈도를 모두 줄일 수 있다.(하지만 만약 애플리케이션에서 long-lived 객체를 많이 사용한다면, survivor영역으로 복제되는 객체가 많아져 GC에 의한 멈추는 시간이 증가할 수 있습니다.)
