[Java] 가비지 컬렉션 (Garbage Collection) / Minor GC, Major GC

가비지 컬렉션 (Garbage Collection)

java의 Garbage Collection(GC) 이란 메모리 관리를 자동화하는 메커니즘으로, 프로그래머가 명시적으로 메모리 할당과 해제를 다루지 않고도 효율적으로 메모리를 관리할 수 있도록 JVM의 GC가 동작한다. C와 C++에선 free()나 delete()와 같은 함수를 통해 명시적으로 직접 메모리를 해제해주어야 하지만, 자바에선 GC가 메모리 관리를 대신 수행해 주기 때문에 한정된 메모리를 효율적으로 사용할 수 있고, 메모리 누수가 발생하는 것을 방지해 준다.

 

◽한정된 메모리를 효율적으로 사용할 수 있게 해 줌
◽개발자가 메모리 관리에 신경 쓰지 않고 개발에만 집중할 수 있음
◾개발자가 메모리 해제 시점을 정확히 알 수 없음
◾GC가 동작하는 동안 JVM의 다른 동작들이 중단됨 (오버헤드 발생)

 

💡 가비지 (Garbage)
직역하면 "쓰레기", "폐기물"을 뜻하며 프로그래밍에선 더 이상 필요하지 않은 (메모리에서 해제되어야 하는) 객체나 데이터를 의미한다. 이런 쓸모없는 객체들은 더 이상 프로그램 상에서 접근 가능한 참조가 없어 사용되지 않는 상태다.

💡가비지 컬렉션
힙 영역에 동적으로 할당했던 메모리 중 필요 없게 된 메모리 객체를 주기적으로 JVM이 제거해 주는 프로세스로, Java뿐만 아니라 Python, JS, Go언어, 브라우저 등에서 쓰임

 

 

가비지 (Garbage)

GC의 대상이 되는 "Garbage"가 발생되는 경우부터 살펴보자. 힙 영역에 존재하는 메모리 중, 해당 객체를 참조할 수 있는 방법이 없어 더 이상 사용할 수 없어진 객체가 GC의 처리 대상이 되는데, 해당 객체를 가리키던 참조 변수에 null 이 들어가 연결이 끊기거나 참조 변수가 존재하던 메서드가 소멸되어 변수가 사라졌을 때 발생된다.

 

위에서 말한 참조 관계 말고도, 메서드 영역(클래스 영역)의 정적 변수에 의한 참조나 힙 내의 다른 객체에 의한 참조 등 여러 경우가 있을 수 있으며, 어찌 됐든 특정 객체에 대한 유효한 참조가 없을 때 가비지가 발생한다!

 

💡Reachable
특정 객체에 유효한 참조가 있는 경우

💡Unreachable
특정 객체에 유효한 참조가 없는 경우 (Garbage)

 

[참조하던 변수의 연결이 끊겼을 때]

public class GarbageExample1 {
    public static void main(String[] args) {
        // 객체 생성
        MyClass obj1 = new MyClass("Object 1");
        MyClass obj2 = new MyClass("Object 2");
        
        // obj1을 더 이상 참조하지 않음
        obj1 = null;
    }
}

참조변수의 참조가 끊겼을 때

 

[참조하던 변수가 소멸되었을 때]

public class GarbageExample2 {
    public static void main(String[] args) {
        
        // 메서드 호출
        testMethod();
        
        // testMethod()의 로컬 변수(obj)가 스코프를 벗어나 삭제되며 가비지 발생 
    }

    static void testMethod() {
        MyClass obj = new MyClass("Object 1");
    }
}

호출된 메서드가 종료되며 로컬 참조변수가 사라짐

 

 

JVM 힙 메모리 구조

GC는 JVM의 힙 영역에 존재하는 Unreachable한 메모리를 대상으로 동작한다고 했는데, Young과 Old 영역으로 나뉘는 힙 메모리 구조에 따라 GC가 동작하는 과정이 다르기 때문에 힙 영역의 메모리 구조에 대해 먼저 살펴보자. 

 

Java 프로그램이 시작되면 JVM이 운영체제(OS)에서 일부 메모리를 가져온다. 가져온 메모리를 용도에 맞게 메서드 영역(클래스 영역), 힙 영역, 스택 영역, PC 레지스터, 네이티브 메서드 스택 등으로 나뉘는데 그중 GC의 활동 범위인 힙 영역은 객체의 인스턴스가 동적으로 생성되어 저장되는 영역이다. 일반적으로 주소 공간의 맨 아래부터 할당되며 메모리 주소가 커지는 방향(위로)으로 메모리가 할당된다. 

힙 영역은 객체의 수명 주기에 따라 위의 그림처럼 Young Generation과 Old Generation으로 나뉘며 Young Generation은 새로 생성된 객체들이 할당되고 일정 시간 동안 살아남은 객체들이 이동하는 공간이다. 반면 Old Generation은 Young Generation에서 오래 살아남은 객체들이 이동하여 저장되는 곳으로 장기간 사용되는 객체들이 위치한다. 이렇게 힙 영역 안에서도 메모리 영역을 구분하는 이유는 대부분의 객체는 금방 Unreachable한 상태가 되고, 오래된 객체에서 새로운 객체로의 참조는 매우 적기 때문에 효율적인 메모리 관리를 위해 이와 같이 설계되었다.

 

Young Generation
🔹새로 생성된 객체들이 할당되는 영역
🔹Eden 영역과 두 개의 Survivor 영역으로 나뉨
🔹초기에 객체 생성 시 Eden 영역에 할당 
🔹일부 객체들이 Survivor 영역으로 이동
🔹주기적으로 살아남은 객체들은 Old Generation 영역으로 이동
🔹Minor GC가 동작하는 영역

Eden
- new키워드를 통해 새로 생성된 객체 저장
- 정기적인 GC 작업에서 살아남은 객체들 Survivor 영역 중 하나로 이동

Survivor 0 / Survivor 1
- 최소 1번 이상 GC에서 살아남은 객체가 존재
- 하나의 Survivor 영역이 가득 차면 그중 살아남은 객체를 다른 Survivor 영역으로 이동 시킴 

- 가득 찼던 Survivor 영역에 아무 데이터 없게 됨
- Survivor 0 또는 Survivor 1 둘 중 하나는 꼭 비어 있어야 함! (위의 과정 때문에)
- 위의 과정을 반복하다 계속 살아남아 있는 객체는 Old 영역으로 이동

Old Generation
🔹Young Generation에서 일정 주기동안 살아남은 객체들 존재
🔹오래된 객체들이 위치하여 메모리 관리가 더 복잡함
🔹Major GC가 동작하는 영역

Permanent Generation (java8부터 사라짐)
🔹Java8 버전 이전에 존재하던 영역
🔹디폴트로 제한된 크기를 가지고 있음 
🔹클래스 로더에 의해 로드된 클래스들이 저장
🔹Perm Generation을 메서드 영역이라고도 한다
    (그래서 Perm 영역이 "힙 영역이냐 아니냐"에 대해 말이 좀 있는 것 같다)
🔹Java8 버전 이후엔 Metaspace로 변경 
        ▪️ 더 유연한 메모리 할당 및 크기 동적으로 조절
        ▪️ Metaspace는 Heap이 아닌 Native memory* 영역에 위치한다 (더 이상 힙 영역 X)
        ▪️ JVM에 관리되지 않고 OS 레벨에서 관리됨
 

💡 Method Area vs Perm Generation (Metaspace)
힙 메모리 안에 있었다던 Perm Generation과 java8 버전 이후에 생긴 Metaspace가 클래스 로더로부터 제공받은 클래스 정보, 메서드 메타 데이터 등의 정보가 저장되어 있다면 우리가 흔히 알고 있는 JVM 메모리 구조 중 Method 영역(클래스 영역)과 다른 점이 뭐지..?라는 생각이 들었다.

Method Area는 오라클, 아마존, Azul 등 JVM 벤더(공급업체)마다 다르게 구현되어 있는데 오라클의 Hotspot JVM을 기준으로 보면 Method Area가 JDK7까지는 Perm Generation이라고 불리고, JDK8부터는 Metaspace로 불리는 것이라고 한다. 결국 Method Area와 Perm Generation, Metaspace는 같은 말이라고 할 수 있으며 자바 버전에 따라 구현되어 있는 내용이 다르다.

💡Native memory area
힙 영역 바깥의 공간을 의미하는 것으로 쉽게 시스템의 기본 메모리라고 생각하면 된다. Java8 버전 이전의

Permenent Generation 영역은 JVM이 별도의 힙 영역을 설정해 줘 관리되었지만, Java8 버전 이후Metaspace로 변경되면서 JVM이 아닌 운영체제가 메모리를 동적할당하는 방식으로 관리된다.

이런 변경이 일어난 이유는 Perm 영역은 JVM에 의해 크기가 강제되었던 영역으로, 자바 프로그램이 실행되어 운영체제가 JVM에 메모리를 한 번 할당한 이후에는 크기가 변경되지 않는 특징을 가지고 있었다. 따라서 클래스 메타데이터 사용량이 증가하면 OutOfMemoryError가 발생할 가능성이 높았다.

이런 문제를 해결하기 위해 Java8 버전 이후부터 운영체제에서 제공하는 Native memory에 Metaspace라는 공간을 만들어 크기를 동적으로 조절할 수 있게 설계한 것이다. 필요시 자동으로 크기를 증가시켜 공간을 확보하게 되므로 OutOfMemeroError의 발생확률을 줄일 수 있다.

메서드 영역이 Java8부터 변경되면서 기존에 Perm 영역에 존재하던 Static Object는 힙 영역으로 옮겨져 GC의 대상이 최대할 될 수 있도록 했다. 

☕Java8 이전

       

 ☕Java8 이후

 

가비지 컬렉션 동작 방식

가비지 컬렉션은 힙 영역의 Young Generation에서 동작하는 Minor GC와 Old Generation에 동작하는 Major GC로 구분할 수 있고, 세부 동작 방식도 다르다. 하지만 두 GC에서 모두 공통적으로 동작하는 단계가 존재하는데, Minor GC와 Major GC를 보기 전에 살펴보자.

 

1. Stop The World (STW)

GC를 실행하기 위해 JVM이 어플리케이션의 실행을 중단하는 단계이다. GC가 실행될 때 GC를 실행하는 쓰레드를 제외한 모든 쓰레드들의 작업이 중단되고, GC가 작업을 완료하면 다른 쓰레드들의 작업이 다시 진행된다. 

 

따라서 빈번하게 GC를 실행할 시, 해당 단계(STW)로 인해 프로그램의 성능에 문제가 발생할 수 있으며 보통 GC 최적화 작업인 GC튜닝을 이 시간을 단축시키기 위한 고민들로 이루어져 있다. 

 

2. Mark and Sweep

STW 단계에서 모든 작업이 중단되면, GC는 스택의 모든 변수 또는 Reachable 객체를 스캔하며 각 어떤 객체를 참조하고 있는지 탐색한다. 그리고 사용되고 있는 메모리를 식별하는데, 이 과정을 Mark라고 한다. 이후 Mark되지 않은 객체들을 메모리에서 제거하는 Sweep 과정이 진행된다. Sweep 과정 후 분산되어 있는 객체들을 힙 메모리의 시작 주소로 모으는 Compact 과정을 통해 GC 동작이 마무리된다. 

🔹Mark: 사용되는 메모리와 사용되지 않는 메모리 식별
🔹Sweep: 사용되지 않는 메모리를 해제하는 작업
🔹Compact: 분산된 객체들을 시작 주소로 모으는 작업 (압축 작업)

출처: 사진 클릭

 

 

Minor GC 동작 방식

힙의 Young 영역 중 Eden 영역이 꽉 차면 Minor GC가 동작한다. 비교적 짧게 살아남는 객체들이 존재하는 Young 영역에서 작동되는 GC를 Minor GC라고 하며 Old 영역에 비해 상대적으로 작은 메모리 공간에서 작동되기 때문에 객체를 찾아 제거하는데 적은 시간이 걸린다. Minor GC는 작동되면 Eden 영역과 함께 Survivor 공간도 검사해 Reachable한 객체를 다른 Survivor 공간으로 이동시킨다. 이때 Minor GC 동작 후 살아남은(Reachable한) 객체들은 age 값이 하나씩 증가되며 age값이 특정 임계값에 도달하면 Old 영역으로 이동된다. 

💡 age
GC로부터 객체가 살아남은 횟수를 의미하는 값이며, Object Header에 기록된다. 
age값이 임계값에 다다르면 Old 영역으로 이동(Promotion) 여부를 결정한다.

 

1. 처음 생성된 객체는 Young Generation의 Eden 공간에 위치

 

2. 객체가 계속 Eden영역에 쌓여 꽉 차게 되면 Minor GC 실행

 

3. Mark 동작을 통해 Reachable 객체를 탐색

 

4. Eden영역에서 살아남은 객체는 Survivor영역으로 이동

 

5. Sweep 동작을 통해 Eden영역에서 Mark되지 않은 객체 메모리 해제

 

6. 살아남은 모든 객체 age 값 +1

 

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1. 또 Eden영역에 새로운 객체들로 가득 차면 Minor GC 발생하고 Mark 동작 실행

 

2. Mark된 살아남은 객체들을 비어있는 다른 Survivor 영역으로 이동하고 Eden 영역과 Survivor 0 영역을 Sweep

 

3. 살아남은 객체들 age값 +1

4. 위의 과정 반복

 

 

Major GC 동작 방식

Old 영역은 Young 영역 중 길게 (특정 age 만큼) 살아남은 메모리들이 존재하는 곳이다. 처음엔 Young에서 생성된 메모리들이 Minor GC 과정 중 제거되지 않고 age의 임계값에 도달하면서 Old 영역으로 이동한 객체들이다. 이를 Promotion이라고 하며, Promotion으로 인해 Old 영역의 메모리가 다 차면 Major GC이 발생하게 된다. (그림에선 age 임계값을 8로 설정)

 

Promotion: Young 영역에서 살아남은 객체들의 age가 임계값이 되어 Old 영역으로 넘어옴

 

Major GC 동작: Mark, Sweep, Compact 과정 거쳐 메모리 해제

 

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🔗GC 동작 과정 그림 참고