Garbage Collection이 하는 일

Java는 OS 메모리 영역에 직접적으로 접근하지 않고, JVM을 통해 간접적으로 접근한다.
가비지 컬랙션은 메모리에서 Object가 필요해지지 않는 시점을 판단하고, JVM이 메모리를 확보할 수 있게 한다.

Java의 메모리 구조

Stack

• Stack은 각 스레드마다 하나씩 존재한다.
• 스레드가 시작될때 생성된다. 다른 스레드들은 각자의 스택외의 타 스레드의 스택에 접근할 수 없다.
• Stack에는 Heap 영역에서 생성된 Object타입의 데이터의 참조 값들이 할당된다.
• 또한 int, long, char 등, 원시타입(primitive type)의 데이터를 참조 값이 아닌 실제 값이 할당된다.

Heap

• Heap은 다수의 스레드가 존재하더하도 하나의 Heap영역만 존재한다.
• Heap에는 긴 생명주기를 가지는 데이들이 저장된다. 모든 Object 타입들은 Heap영역에 생성된다.

Heap 영역에 저장된 데이터는 Stack에 저장되어 있는 참조 변수를 통해 참조한다.

해당 Stack에서 참조 변수가 pop되어 사라져, Heap에 생성된 Object를 참조하는 변수가 없을 때, 해당 객체를 Unreachable 하다고 한다.

Garbage Collection은 Unreachable 객체의 메모리 할당을 정리하는 것이다.

Heap 영역 구성

Heap의 영역은 Young Generation와 Old Generation으로 나눌 수 있다.

Young Generation

• 새롭게 생성된 객체들이 Allocation(할당)된다.
• Young 영역의 많은 객체들이 금방 Unreachable 상태가 되고 사라진다.
• Young영역에서 객체가 사라지는 것을 Minor GC가 발생한다고 한다.
• Young Generation은 세분화 하여 Eden, Survival 0, Survival 1 으로 나눌 수 있다.

Old Generation

• Young에서 살아남은 객체가 Promotion(승격)되어 Old Generation으로 복사된다.
• Old 영역에서 객체가 사라지는것을 Major GC(or Full GC)가 발생한다고 한다.

Garbage Collection 과정

1. 새로운 오브젝트는 Eden영역에 할당, Survial 0(S0)과 Survial 1(S1)는 비워져있는 상태에서 시작한다.

2. Eden 영역이 가득차면, Minor GC가 발생한다.

3. Minor GC가 발생하면, Eden 영역의 Reachable한 객체들은 S0영역으로 옮겨진다. Unreachable 객체는 Eden영역의 클리어와 함께 사라진다.

4. 다시 Eden 영역이 가득차서, Minor GC가 발생하면 Eden영역의 Reachable 오브잭트들은 계속해서 S0영역으로 옮겨진다.

5. S0영역이 가득차면, S0의 Reachable한 오브잭트들을 S1으로 옮긴다. 이후 Eden과 S0를 클리어한다.

6. Surivor Space에서 Survior Space로(ex. S0 -> S1)으로 이동 할 때, 살아남은 오브잭트의 age 값이 증가된다.

7. 2-6번의 과정이 반복된다. (Survior Space의 From-To가 바뀌면서) 반복하면 특정 오브젝트들의 age 값이 특정 값 이상이되면 Old Generation으로 Promotion(승격하여 옮겨짐)하게 된다.

8. Minor GC의 반복, Promotion의 반복을 통해 Old Generation이 가득차면 Major GC가 발생한다.

Garbage Collector의 종류

Serial GC (-XX:+UseSerialGC)

• Serial GC는 Java 5 & 6의 기본 가비지 컬랙터다. Minor GC와 Major GC를 모두 순차적으로 시행이 된다.

• Serial GC는 Old 영역의 GC를 위해 mark-sweep-compact 알고리즘을 사용한다.

• mark-sweep-compact
  1. Old 영역에 살아있는 객체를 식별(mark)한다.
  2. Heap의 앞에서 부터 살아 있는 것만 남긴다(sweep).
  3. 살아남은 객체들을 힙에 가장 앞에서 부터 채워, 객체가 존재하는 부분과 없는 부분으로 나눈다(Compact).
• Serial GC는 코어가 하나만 있을때 사용하기 위해서 만든 방식이기 때문에, 운영서버에서 사용하면 성능이 떨어진다. 적은 메모리와 CPU 코어 갯수일 때 적합하다.

Parallel GC (-XX:+UseParallelGC)

• Parallel GC는 기본 알고리즘은 Serial GC와 동일하지만, Parallel GC는 Young 영역에 대한 GC를 멀티스레드로 수행한다.
• Parallel GC 옵션을 설정하였더라도, CPU의 코어가 하나라면 Serial GC가 Default로 사용된다.
• 또한 -XX:+UseParallelOldGC 옵션으로 Old 영역의 GC도 멀티스레딩을 사용할 수 있다.(대신 Mark-Summary-Compaction 알고리즘으로 수행)

Concurrent Mark Sweep (CMS) GC (-XX:+UseConcMarkSweepGC)

• CMS GC는 대부분의 가비지 컬랙션 작업을 애플리케이션 스레드와 동시에 수행, stop-the-world 시간을 최소화한다.

• CMS GC의 과정
  1. Initial Mark를 통해 클래스 로더에서 가장 가까운 살아있는 객체 만을 찾는다. 이때 발생하는 stop-the-world는 매우 짧다.
  2. Concurrent Mark단계에서 Initial Mark에서 살아있던 객체에서 참조하는 객체들을 따라가며 확인한다. Concurrent Mark는 다른 스레드가 실행 중인 상태에서 동시에 진행된다.
  3. 그리고 Remark 단계에서 Concurrent Mark단계에서 새로 추가되거나 참조가 끊긴 객체를 확인한다 (짧은 stop-the-world 발생).
  4. 마지막으로 Concurrent Sweep을 통해 사용하지 않는 객체를 정리한다. Concurrent Sweep 다른 스레드가 실행되는 상황에서 동시에 진행된다.
• CMS GC는 stop-the-world의 시간이 짧아, 애플리케이션의 응답 속도가 빨라진다. 따라서 Low Latency GC라고도 부른다.
• 하지만 많은 메모리와 CPU 사용을 하며, Compaction을 하지 않아 메모리 파편화가 발생한다.
• 따라서 메모리 파편화를 해결하기 위한 stop-the-world 시간이 길기 때문에 Compaction 작업이 얼마나 자주, 오랫동안 수행 되는지 확인하여 사용해야한다.

G1 Garbage Collector

• G1 GC는 Java 7부터 사용이 가능하고, Java 9부터는 Default로 설정되어있다.
• 기존의 GC와는 다르게 영역을 Young과 Old로 나누지 않는다.

• G1 GC에서 Heap을 일정한 크기의 바둑 판 처럼 지역을 나눈다. 그리고 각 지역은 Eden Space, Survivor Space 그리고 Old Generation로 나뉘며 할당된다. 각 세트의 크기(지역의 갯수)는 유연하게 할당되며, 역할은 이전 GC들과 동일하다.

• G1 GC의 GC 수행 과정은 CMS와 비슷하다.
  1. Concurrent 하게 사용하지 않는 오브잭트들을 마킹한다.
  2. G1 GC는 메모리가 가장 많이 비어있는 지역부터 회수를 시작하는데, 이 과정을 Garbage-First라고 부른다.
  3. G1 GC는 evacuation(배출)을 통해 메모리를 비운다. Evacuation 중, 하나 이상의 오브잭트들은 하나의 지역으로 복사되어 옮겨진다. 즉, 메모리를 비우는 작업과 Compact를 동시에 한다.
  4. evacuation는 Concurrent하게 다른 메소드의 처리와 동시에 처리되기 때문에, stop-the-world시간이 줄어든다.

References

https://d2.naver.com/helloworld/1329
https://yaboong.github.io/java/2018/06/09/java-garbage-collection/
https://www.oracle.com/technetwork/tutorials/tutorials-1876574.html