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JVM - Garbage Collection

Stop-the-world

GC를 실행하기 위해 JVM이 애플리케이션 실행을 멈추는 것이다.

  • stop-the-world가 발생하면 GC를 실행하는 쓰레드를 제외한 나머지 쓰레드는 모두 작업을 멈춘다.
  • GC작업을 완료한 이후에야 중단했던 작업을 다시 시작한다.
  • 어떤 GC 알고리즘을 사용하더라도 Stop-the-world는 발생한다.
  • 대개의 경우 GC 튜닝이란 이 Stop-the-world 시간을 줄이는 것이다.

GC 필요성

Java의 경우 (대부분의 언어) 프로그램 코드에서 메모리를 명시적으로 지정하여 헤제하지 않는다. 따라서 가비지 컬렉터가 더이상 필요 없는 객체를 찾아 지우는 작업을 수행하여 메모리 공간을 확보한다.

가끔 명시적으로 해제하려고 해당 객체를 null로 지정하거나 System.gc() 메서드를 호출하는 경우가 있다. null로 지정하는 것은 큰 문제가 안되지만, System.gc() 메서드를 호출하는 것은 시스템의 매우 큰 영향을 끼치므로 System.gc() 메서드는 절대 사용하면 안된다.

Garbage Collector

가비지 컬렉터는 두 가지 가설 하에 만들어졌다.(가정 또는 전제 조건이라 표현하는 것이 맞다.)

Weak generational hypothesis

  • 대부분의 객체는 금방 접근 불가능 상태(Unreachable)가 된다.
  • 오래된 객체에서 젊은 객체로의 참조는 아주 적게 존재한다.

Young 영역과 Old 영역

이 가설의 장점을 최대한 살리기 위해 HotSpot VM 에서는 크게 2개로 물리적 공간을 나누었다.

  • Young 영역
    새롭게 생성한 객체의 대부분이 여기에 위치한다. 대부분의 객체가 금방 접근 불가능 상태가 되기 때문에 매우 많은 객체가 young 영역에 생성되었다가 사라진다. 이 영역에서 객체가 사라질 때 Minor GC가 발생한다고 말한다.

  • Old 영역
    접근 불가능 상태로 되지 않아 Young 영역에서 살아남은 객체가 여기로 복사된다. 대부분 Young 영역보다 크게 할당하며, 크기가 큰 만큼 Young 영역보다 GC는 적게 발생한다. 이 영역에서 객체가 사라질 때 Major GC(Full GC)가 발생한다고 말한다.

Minor GC

새로 생성된 대부분의 객체는 Eden 영역에 위치한다. Eden 영역에서 GC가 한 번 발생한 후 살아남은 객체는 Survivor 영역 중 하나로 이동된다.

이 과정을 반복하다가 계속해서 살아남아 있는 객체는 일정시간 참조되고 있다는 뜻이므로 Old 영역으로 이동시킨다.

Major GC

Old 영역에 있는 모든 객체들을 검사하여 참조되지 않은 객체들을 한꺼번에 삭제한다.

가비지 컬렉션은 어떤 원리로 소멸시킬 대상을 선정하는가?

알고리즘에 따라 동작 방식이 매우 다양하지만 공통적인 원리가 있다.

가비지 컬렉터는 힙 내의 객체 중에서 가비지를 찾아내고 찾아낸 가비지를 처리해서 힙의 메모리를 회수한다.

참조되고 있지 않은 객체를 가비지라고 하며 객체가 가비지인지 아닌지 판단하기 위해서 reachablitiy라는 개념을 사용한다.

어떤 힙 영역에 할당된 객체가 유효한 참조가 있으면 reachability, 없다면 unreachability로 판단한다. 하나의 객체는 다른 객체를 참조하고, 다른 객체는 또 다른 객체를 참조할 수 있기 때문에 참조 사슬이 형성되는데, 이 참조 사슬 중 최초에 참조한 것을 Root Set이라고 칭한다.

힙 영역에 있는 객체들은 총 4가지 경우에 대하여 참조를 가지게 된다.

  1. 힘 내의 다른 객체에 의한 참조
  2. Java스택, 즉 Java 메서드 실행 시에 사용하는 지역변수와 파라미터들에 의한 참조
  3. 네이티브 스택에 의해 생성된 객체에 대한 참조
  4. 메서드 영역의 정적 변수에 의한 참조

2, 3, 4는 Root set이다. 즉 참조 사슬 중 최초에 참조한 것이다.

인스턴스가 가비지 컬렉션의 대상이 되었다고 해서 바로 소멸이 되는 것은 아니다. 빈번한 가비지 컬렉션의 실행은 시스템에 부담이 될 수 있기에 성능에 영향을 미치지 않도록 가비지 컬렉션 실행 타이밍은 별도의 알고리즘을 기반으로 계산이 되며, 이 계산 결과를 기반으로 가비지 컬렉션이 수행된다.

Serial GC

적은 메모리와 CPU 코어 개수가 적을 때 적합한 방식으로 위에서 언급한 방식으로 동작

Parallel GC

기본적인 GC 알고리즘은 Serial GC와 동일하지만 Parallel GC는 GC를 처리하는 스레드가 여러 개라서 보다 빠른 GC를 수행할 수 있다.

메모리가 충분하고 코어의 개수가 많을 때 유리하다.

Parallel Old GC (Parallel Compacting GC)

별도로 살아있는 객체를 식별한다는 부분에서 보다 복잡한 단계로 수행된다.