[Java] JVM의 Garbage Collector

JVM(Java Virtual Machine)이란?

• 운영체제의 메모리 영역에 접근하여 메모리를 관리하는 프로그램
• 메모리 관리, Garbage Collector 등을 수행하게 된다.

Garbage Collector란?

• 동적으로 할당한 메모리 영역 중 사용하지 않는 영역을 탐지하여 해제하는 기능을 맡고 있다.
  • C, C++의 경우 사용자가 직접 메모리를 할당 받고, 해제해야 한다.(malloc(), free()와 같은 함수를 사용)
  • 하지만 Java에서는 GC의 기능이 Heap 메모리에서 unreachable한 객체를 자동으로 삭제 해 준다.

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(참고) Heap과 Stack은 또 뭐지?

• Stack

• 정적*으로 할당한 메모리 영역
  원시 타입의 데이터가 값과 함께 할당, Heap 영역에 생성된 Object 타입의 데이터의 참조 값을 할당한다.

• Heap

• 동적*으로 할당한 메모리 영역
  모든 Object 타입의 데이터가 할당된다.

코드와 이미지로 이해를 해보자면 다음과 같다.

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다시 돌아와서...

Garbage Collector가 수행되는 과정

1. Garbage collector가 stack의 모든 변수를 스캔하면서 각각 어떤 객체를 참조하고 있는지 찾아서 마킹한다.
2. Reachable Object가 참조하고 있는 객체도 찾아서 마킹한다.
3. 마킹되지 않는 객체를 heap에서 제거한다.

1,2번 과정을 Mark, 3번 과정을 Sweep이라고 부르며 이 과정 전체를 Mark and Sweep이라고 한다.

Garbage Collection이 일어나는 과정

이는 Heap의 구조를 알아야 이해를 할 수 있다.
Heap의 구조는 다음과 같다.

New Generation 영역과 Old Generation으로 나누어져있고,
New Generation이 Eden/Survival0/Survival1로 나누어 진다.

1. 새로운 객체는 Eden에 할당 된다.
2. Eden 영역이 전부 사용되면 이때 GC가 발생되는데, 이를 Minor GC라고 한다.
3. Mark and Sweep이 진행되며 reachable이라 판단된 객체는 Survival 0 영역으로 옮겨진다.
   • 이때, 옮겨지면서 Age-bit가 1 증가한다.
4. Eden이 또 꽉차게 되면 Minor GC가 다시 실행된다.
   • reachable 객체들이 Survival 1로 이동하며 Age-bit가 1 증가한다.
   • 이때, Survival 0에 있던 객체들도 Survival 1로 이동하며 Age-bit가 1 증가한다.
   • 그러므로 항상 Survial 0, 1중 한 곳은 비어 있다.
5. Age-bit가 특정 숫자만큼 높아지면, 오래 쓰이는 객체라고 인식하여 Old Generation으로 이동하게 되는데, 이를 Promotion이라고 한다.
6. 해당 순서가 반복되며 Old Generation이 전부 차버려 Old Generation 안에서 GC가 일어난다면 이를 Major GC라고 부른다.
   • Mark and Sweep를 이용하는 것은 동일하다.

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그림으로 이해하기

해당 Minor GC 순서를 그림으로 이해해보자.

Eden이 가득차면 Survival 0과 Survival 1로 이동하며 Age값을 높인다.
Age값이 특정 숫자만큼 높아지면, Old Generation으로 이동한다.(Promotion)

그리고 Old Generation이 가득차면 Major GC가 일어나는 것이다.

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Garbage Collector의 장단점

• 장점
  • Memory Leak이 발생되지 않음
  • 휴먼 에러 발생 가능성을 낮춤
    • 예시: 해제된 메모리에 접근을 시도하거나 메모리 이중 해제를 시도하는 등이 있다.

• 단점
  • 성능 저하
    • 어떤 메모리를 해제해야 할지 검사하고 삭제하는 과정이 필요하기 때문
    • 대규모일 경우 비용은 더 증가
  • 개발자는 언제 메모리가 해제되는지 모름
    • jvm은 GC를 실행시키기 위해 잠시 실행을 멈추는데, 실시간성이 매우 강조된다면 이러한 특징이 적합하지 않을 수 있음

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JVM은 어떻게 GC와 Application을 같이 실행할까?

• 완전히 같이 실행할 수는 없다.
• 때문에 JVM은 GC를 실행하기 위해 Application 실행을 멈춘다.
  • 이 과정을 Stop the world라고 표현한다.
• Stop the world 과정이 짧을 수록 최적화 된 것이다.

여러 방법이 있지만 자주 쓰이는 것만 소개를 한다면 다음과 같다.

1. parallel GC
   • JAVA 8에서 기본적으로 쓰이는 GC 방식
   • 멀티 코어 환경에서 사용
   • 여러개의 thread로 GC를 실행하기 때문에 stop the world 시간이 짧음

2. G1 GC
   • JAVA 9부터 기본적으로 쓰이는 GC 방식
   • heap을 일정 크기의 region으로 잘게 나눠 young generation, old generation으로 나눠 활용
   • 이때 region은 그때그때 개수를 알아서 튜닝해줌
   • 이에 따라 stop the world 최소화가 가능

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레퍼런스

• 우아한테크 - [10분 테코톡] 주디의 Garbage Collector
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