Garbage Collection

Garbage Collection

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Garbage Collection 이란 Java 메모리 관리 방법 중 하나로 더 이상 참조되지 않는 객체들을 제거하는 작업을 의미하며 JVM 의 Heap Area 에서 주로 동작한다.

Garbage Collection 의 대상

객체들은 실질적으로 Heap Area 에 생성되고 Method Area 나 Stack Area 등 Root Area 에서 Heap Area 에 생성된 객체의 주소만 참조한다.

GC 의 대상은 이런 객체들 중 참조되지 않는 객체들이다. 여기서 참조되지 않는 객체들은 unreachable 이라고 하며 참조되고 있는 객체들은 reachable 이라고 표현한다.

unreachable 객체들은 메서드가 종료되면서 Stack Area 에서 Frame 이 pop 되거나 참조 대상이 바뀌면서 생기는데 GC 는 이런 객체들을 제거하는 역할을 한다.

JVM Heap Area

JVM 의 Heap Area 는 GC 가 효율적으로 동작할 수 있도록 Eden Survivor0 Survivor1 Old Permanent 5가지로 나뉜다. JDK1.8 부터 Permanent 영역이 Native Method Stack Area 를 위한 MetaSpace 영역으로 변경되었다. Survivor 영역의 경우 GC 가 일어날 때 두 영역 간에 복사가 일어난다는 점이 중요하고 숫자는 중요한 요소가 아니다.

Stop-The-World

GC 를 수행할 때 GC 를 수행하는 스레드를 제외한 모든 스레드는 정지하는데 이를 Stop-The-World 라고 한다.

빈번한 GC 는 더 많은 Stop-The-World 를 발생시키고 이는 애플리케이션 성능 저하로 이어지기 때문에 Stop-The-World 시간을 줄여 스레드가 정지되는 시간을 줄이는 것이 중요하다.

Garbage Collection 동작 과정

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GC 는 Minor GC 와 Major GC 로 구분할 수 있다. Minor GC 는 young 영역에서 Major GC 는 old 영역에서 일어난다.

Minor GC

Minor GC 는 young 영역에서 일어나며 Eden 영역이 가득 차면서 시작된다.

1. 최초에 객체가 생성되면 age-bit 이 0으로 할당되고 Eden 영역에 저장된다.
2. Eden 영역이 가득차면 참조가 남아있는 객체를 mark 한다.
3. Eden 영역에서 mark 된 객체를 Survivor0 영역으로 복사한다.
4. Eden 영역을 비우고 살아남은 객체들의 age-bit 이 증가한다.
5. Eden 영역이 다시 가득차면 참조가 남아있는 객체를 다시 mark 한다.
6. Eden 영역과 Survivor0 영역에서 mark 된 객체를 Survivor1 영역으로 복사한다.
7. Eden 영역과 Survivor0 영역을 비우고 살아남은 객체들의 age-bit 이 증가한다.
8. Eden 영역이 다시 가득차면 참조가 남아있는 객체를 다시 mark 한다.
9. Eden 영역과 Survivor1 영역에서 mark 된 객체를 Survivor0 영역으로 복사한다.
10. Eden 영역과 Survivor1 영역을 비우고 살아남은 객체들의 age-bit 이 증가한다.
11. 위 과정을 반복하다가 특정 age-bit 에 도달한 객체들을 old 영역으로 promotion 한다.

Major GC

Major GC 는 old 영역에서 일어나며 Minor GC 와 반대로 참조되지 않는 객체를 mark 한다.

old 영역이 가득차게 되면 mark 된 객체를 제거하는 Full GC(Major GC) 가 일어나는데 이는 Minor GC 보다 훨씬 많은 시간을 소모한다. 즉, Stop-The-World 시간이 길다.

이를 해결하기 위해 Full GC 에선 Mark-Sweep-Compact Algorithm 을 기반한 여러 GC 방식들이 선택 및 적용된다.

Garbage Collection Algorithm

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Weak Generational Hypothesis

Weak Generational Hypothesis 는 대부분의 객체는 빠르게 unreachable 상태로 전환된다는 가설이다. 이는 GC 를 성공적으로 수행하는 Algorithm 을 설계하기 위해서 사용되는 대표적인 가설이다.

Mark-Sweep-Compact Algorithm

GC 가 수행될 때 reachable 객체들은 mark 된다. unreachable 한 객체들은 mark 되지않았기 때문에 이런 객체들을 추적하고 삭제하는 것을 sweep 이라고 한다.

mark 되지 않은 객체들을 제거하면 메모리 공간에 구멍이 생기는 단편화가 발생하는데 이를 Fragmentation 이라고 부른다.

정렬되지 않은 Fragmentation 된 메모리 공간은 절대적인 공간은 충분해도 연속되는 메모리 공간이 부족해 메모리 할당이 어려울 수 있다. 때문에 메모리를 정리해주는데 이 방식을 Compaction 이라고 한다.

Garbage Collection 적용

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java -XX:+UseG1GC -XX:+DisableExplicitGC SampleProgram

Java 애플리케이션 실행 시 위처럼 GC 를 선택해서 사용할 수 있다. 가장 간단한 SerialGC 가 대표적이고 조금 더 진보된 G1GC ZGC 등이 있다.

References

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• https://tecoble.techcourse.co.kr/post/2021-08-30-jvm-gc/
• https://jeong-pro.tistory.com/148
• https://coding-factory.tistory.com/829