[Java][JVM] 가비지 컬렉션 Garbage Collection

출처

ChatGPT

---

Garbate Collection(가비지 컬렉션, GC)은 Java Virtual Machine(JVM)에서 메모리 관리를 자동화하는 핵심 기능이다. 개발자는 명시적으로 메모리 해제를 하지 않고도 안전하게 객체를 사용할 수 있으며, 가비지 컬렉션을 통해 사용하지 않는 메모리 공간을 자동으로 회수할 수 있다. 이는 메모리 누수를 방지하고 프로그램의 안정성을 높이는 데 중요한 역할을 한다.

GC 자체가 메모리 누수를 완전히 방지할 수는 없으며, 메모리 누수에 도움을 주는 방식과 그 한계를 이해하는 것이 중요하다.

 

가비지 컬렉션의 개념

가비지 컬랙션이란?

가비지 컬렉션은 프로그램이 더 이상 사용하지 않는 객체(garbage)를 찾아서 메모리를 회수하는 과정이다. 이는 메모리 누수를 방지하고 프로그램이 장기간 안정적으로 동작할 수 있도록 한다.

자바의 GC는 주로 참조 그래프(reference graph)를 기반으로 작동한다. 즉, 객체들이 서로 참조하고 있는 관계를 분석해 어떤 객체가 더 이상 도달할 수 없는 상태(unreachable)에 있는지를 확인한다.

가비지 컬레션의 필요성

자동 메모리 관리

개발자가 직접 메모리 관리를 하지 않아도 되므로, 메모리 누수와 관련된 오류를 줄일 수 있다.

안정성

가비지 컬렉션을 통해 메모리가 지속적으로 재활용되어, 장기 실행 프로그램의 안정성을 높인다.

추상화

개발자는 객체 생성에 집중할 수 있으며, 객체 파기와 관련된 로직을 직접 관리할 필요가 없다.

 

GC가 Memory Leak을 방지하는 데 도움이 되는 이유

GC가 메모리 누수를 완전히 방지할 수는 없지만, 몇 가지 측면에서 메모리 누수를 줄이는 데 도움을 준다.

1. 불필요한 객체 자동 회수

GC는 프로그램이 더 이상 접근할 수 없는 객체를 자동으로 탐지해 회수한다. 이는 명시적으로 참조가 해제되지 않더라도, 사용되지 않는 객체에 대해 메모리를 확보할 수 있게 해준다.

 

예를 들어, 다음과 같은 경우에 GC는 객체를 회수한다.

public void someMethod() {
    Object obj = new Object();  // 객체 생성
    // ... some operations
    obj = null;  // 참조 해제
    // GC는 obj가 null이 된 이후 객체를 수거할 수 있음
}

2. 메모리 누수 완화

메모리 누수의 주된 원인 중 하나는 사용되지 않는 객체에 대한 참조가 유지되는 경우이다. GC는 객체 그래프를 분석하여 어떤 객체들이 도달할 수 없는지를 판단하고, 이를 기반으로 메모리를 회수한다.

 

예를 들어, 스택 프레임(stack frame)에서 벗어난 지역 변수(local variable)에 할당된 객체는 더 이상 접근할 수 없기 때문에 GC의 대상이 된다.

3. 약한 참조(Weak Reference) 사용

자바는 강한 참조(strong reference) 외에도 약한 참조(Weak Reference), 부드러운 참조(Soft Reference), 유령 참조(Phantom Reference) 등의 참조 타입을 제공한다. 이러한 참조 타입은 GC가 객체를 더 쉽게 수집할 수 이도록 도와준다.

 

예를 들어, WeakHashMap은 약한 참조를 사용해 키(key)에 대한 참조가 약한 상태로 유지되며, 더 이상 강한 참조가 존재하지 않으면 자동으로 엔트리가 제거된다. 이는 메모리 누수를 줄이는 데 도움을 준다. 

• 관련 글-> [Java] 참조 타입(Reference Type) : Strong Reference, Soft Reference, Weak Reference, Phantom Reference

 

Garbage Collection의 한계

Garbage Collection은 메모리 누수를 완전히 방지할 수는 없다.

1. 활성 참조에 의한 메모리 누수

GC는 참조가 남아 있는 객체는 수집하지 않는다. 즉, 객체가 사용되지 않더라도, 다른 객체가 그 객체를 여전히 참조하고 있으면 GC는 해당 객체를 회수하지 않는다. 따라서 프로그램 로직에서 불필요한 참조가 유지되면, 메모리 누수가 발생할 수 있다.

 

예를 들어, 다음 코스에서 List에 계속해서 객체를 추가하지만, 그 객체들이 더 이상 필요 없을 때도 List에 남아있는 경우 메모리 누수가 발생할 수 있다.

List<Object> list = new ArrayList<>();

public void addObjects() {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        list.add(new Object());  // 객체가 리스트에 계속 추가됨
    }
}

 

이 경우, List가 객체들을 계속 참조하고 있기 때문에 GC는 이를 수집할 수 없다.

2. 순환 참조 Circular Reference

자바의 GC는 참조 도달 가능성을 기반으로 작동하기 때문에, 순환 참조(circulr reference)로 인한 메모리 누수는 발생하지 않는다. 이는 자바의 GC가 객체 참조 그래프를 통해 객체 간의 연결을 따라가며 도달 가능성을 판단하기 때문이다. 하지만, 모든 참조를 해제하지 않는다면 순환 참조로 인한 메모리 누수는 여전히 문제이다. 

• 관련 글-> [Java] 참조 도달 가능성 reachability

3. 메모리 관리 최적화의 필요성

메모리 관리 문제를 해결하기 위해서는 개발자가 직접 메모리 사용 패턴을 최적화해야 한다. 이는 불필요한 객체의 수명을 줄이고, 적절한 데이터 구조를 선택하는 등의 메모리 최적화 작업을 포함한다. GC는 이러한 문제를 자동으로 해결하지 않으므로, 메모리 사용 최적화를 위한 코드 작성이 중요하다.

 

JVM 메모리 구조

JVM 메모리 구조는 가비지 컬렉션의 동작과 밀접한 관련이 있다. 메모리는 크게 힙(Heap)과 메서드 영역(Method Area)으로 나뉘며, 힙은 다시 여러 영역으로 세분화된다.

JVM 힙 영역

1. Young Generation 젊은 세대

• Eden : 새롭게 생성된 객체가 할당되는 공간
• Survovir Space : Eden 에서 살아남은 객체가 이동하는 공간. 일반적으로 두 개(S0, S1)로 나뉜다.

2. Old Generation 노년 세대

• Young Generation에서 여러 번 가비지 컬렉션을 거치며 살아남은 객체가 이동하는 공간이다. 객체의 생명 주기가 길어지는 경향이 있다.

3. Permanent Generation 영구 세대(Java 7 이하)

• JVM 메타데이터와 클래스 정보가 저장된다. Java 8 이후에는 Metaspace로 대체되었다.

메서드 영역

메서드 영역은 JVM 메타데이터 및 클래스 구조 정보를 저장하는 공간이다. Java 8 이후에는 Metaspace로 대체되어 힙 영역에서 분리되어 관리된다.

메모리 구조 다이어그램

+-------------------------+
|        Method Area      | <--- (1) Method Area: 클래스와 메타데이터 저장
|-------------------------|
|   +-----------------+   |
|   |   Young Generation | |
|   |-----------------|   |
|   | Eden Space       | | <--- (2a) Eden Space: 새로 생성된 객체 저장
|   |-----------------|   |
|   | Survivor Space 1 | | <--- (2b) Survivor Space: 살아남은 객체 저장
|   |-----------------|   |
|   | Survivor Space 2 | | <--- (2b) Survivor Space: 살아남은 객체 저장
|   +-----------------+   |
|        Old Generation   | <--- (2c) Old Generation: 오래된 객체 저장
|-------------------------|
|                         |
|    Stack                | <--- (3) Stack: 메소드 호출, 지역 변수, 스택 프레임 저장
|-------------------------|
|                         |
|   Program Counter       | <--- (4) Program Counter Register: 현재 실행 중인 명령어 위치
|   Register              |
|-------------------------|
|                         |
|   Native Method Stack   | <--- (5) Native Method Stack: 네이티브 메소드의 호출 스택
|-------------------------|

 

가비지 컬렉션 알고리즘

JVM은 다양한 가비지 컬렉션 알고리즘을 사용해 메모리를 관리한다. 각 알고리즘은 특정 메모리 영역이나 상황에 최적화되어 있다.

1. Mark and Sweep 마크 앱 스윕

Mark and Sweep 알고리즘은 기본적인 가비지 컬렉션 방식이다. 다음은 그 과정이다.

작동 원리

• Mark 단계 : 사용 중인 객체를 식별하고, 모든 객체 그래프를 순회하면서 접근 가능한 객체를 마크한다.
• Sweep 단계 : 마크되지 않은 객체를 메모리에서 해제한다.

장점

• 간단하고 직관적이다

단점

• 메모리 단편화(fragmentation) 문제가 발생할 수 있다.
• GC 과정이 완료될 때까지 애플리케이션의 실행이 중단될 수 있다.

• 관련 글 -> [JVM][GC] 메모리 단편화

2. Coping Collection 복사 수집

작동 원리

• 메모리를 두 개의 반쪽으로 나누고, 한 쪽에서 작업을 수행한다.
• From Space에서 살아있는 객체를 To Space로 복사한다.
• From Space의 모든 객체를 검사하고, 살아있는 객체는 To Space로 복사하고, 나머지는 제거한다.

장점

• 메모리 단편화가 줄어든다.
• 젊은 세대(Young Generation)에서 자주 사용된다.

단점

• 메모리의 두 배를 사용해야 하므로 메모리 공간이 더 필요하다.

 

3. Generational Garbage Collection 세대별 가비지 컬렉션

작동 원리

• 객체를 생애 주기와 사용 빈도에 따라 여러 세대(Generations)로 나누어 관리한다.
• Young Generation: 새로 생성된 객체를 포함하고, GC가 자주 수행된다.
• Old Generation: Young Generation에서 살아남은 객체를 포함하고, GC가 덜 자주 수행된다.
• Permanent Generation/Metaspace: 클래스 메타데이터와 같은 런타임 메타데이터를 저장다 (JVM의 최신 버전에서는 Metaspace로 대체됨).

장점

• 자주 발생하는 작은 객체의 GC 비용을 줄일 수 있다.

단점

• 구현이 복잡할 수 있다.

 

 

GC 알고리즘의 조합

JVM에서는 위의 알고리즘들을 조합하여 사용한다. 주요 GC 알고리즘은 다음과 같다.

1. Serila GC

설명

단일 스레드를 사용하여 Young Generation과 Old Generation의 GC를 수행다.

장점

간단하고 메모리 사용이 적다.

단점

대규모 애플리케이션에서는 긴 GC 중단 시간이 발생할 수 있다.

 

2. Parallel GC

설명

여러 스레드를 사용하여 Young Generation의 GC를 수행다.

장점

멀티코어 프로세서에서 더 빠른 GC 성능을 제공다.

단점

GC 중단 시간이 길 수 있다.

 

3. Concurrent Mark-Sweep (CMS) GC

설명

Old Generation의 GC를 수행할 때 애플리케이션 스레드와 동시에 작업을 수행다.

장점

GC 중단 시간이 줄어다.

단점

메모리 단편화가 발생할 수 있다.

 

4. G1 (Garbage First) GC

설명

여러 개의 지역(Region)으로 메모리를 나누어 관리하고, 주어진 목표 시간 내에 GC를 완료하도록 설계되었다.

장점

메모리 단편화를 줄이고, 예측 가능한 GC 지연 시간을 제공다.

단점

구현이 복잡하고 초기 설정이 필요하다.

 

GC 과정 단계

Garbage Collection 과정은 일반적으로 다음 단계로 구성된다.

1. Initial Mark (초기 마킹)

루트 객체로부터 시작하여 Young Generation의 살아있는 객체를 마킹한다.

2. Root Scanning (루트 스캐닝)

루트 객체와 그 참조를 추적하여 살아있는 객체를 마킹한다.

3. Marking (마킹)

살아있는 객체를 마킹하여 GC가 회수할 필요가 없는 객체를 식별한다.

4. Relocation (재배치)

복사 수집 알고리즘을 사용하는 경우, 살아있는 객체를 새로운 메모리 공간으로 이동한다.

5. Cleanup (정리)

마킹되지 않은 객체를 메모리에서 제거하고, 빈 메모리 공간을 회수한다.

 

GC 튜닝과 모니터링

GC의 성능을 최적화하고 애플리케이션의 성능에 미치는 영향을 줄이기 위해 다양한 튜닝 매개변수와 모니터링 도구를 사용할 수 있다. 대표적인 GC 튜닝 파라미터에는 힙 사이즈 설정, GC 알고리즘 선택, 스레드 수 조정 등이 있다.

• JVM 옵션: -Xms, -Xmx, -XX:+UseG1GC와 같은 옵션을 사용하여 힙 사이즈와 GC 알고리즘을 설정한다.
• 모니터링 도구: JVisualVM, GC 로그 분석 도구, JConsole 등을 사용하여 GC 성능과 힙 메모리 사용을 모니터링한다.

 

---

ChatGPT 글의 출처

제가 제공한 가비지 컬렉션(Garbage Collection) 관련 설명은 일반적으로 알려진 정보와 개념을 바탕으로 작성된 것입니다. 이러한 내용은 여러 소스에서 공통적으로 다루어지는 내용으로, 다음과 같은 자료들을 참고하면 좋습니다:

1. Java 공식 문서
   • Oracle의 공식 문서에서는 JVM의 메모리 구조와 가비지 컬렉션 알고리즘에 대한 자세한 설명을 제공합니다.
   • Java HotSpot VM Options - JVM 옵션과 GC 관련 설정
2. 책
   • "Java Performance: The Definitive Guide" by Scott Oaks: Java 성능과 관련된 주제를 다루며, 가비지 컬렉션과 JVM의 메모리 관리에 대한 심도 깊은 설명을 제공합니다.
   • "Java: The Complete Reference" by Herbert Schildt: Java의 기본부터 고급 개념까지 폭넓게 다루며, GC와 관련된 내용도 포함되어 있습니다.
3. 온라인 자료
   • Oracle Java Tutorials: Java의 기본 및 고급 개념을 설명하며, 가비지 컬렉션과 관련된 자료를 제공합니다.
   • "Garbage Collection in Java" - 다양한 온라인 튜토리얼과 블로그에서 제공하는 설명, 예를 들면 Baeldung에서는 GC의 동작 방식과 튜닝 방법에 대해 다룹니다.
4. JVM 관련 문서와 자료
   • "Inside the Java Virtual Machine" by Bill Venners: JVM의 내부 구조와 GC 동작 원리에 대한 자세한 설명이 포함되어 있습니다.

이 자료들은 가비지 컬렉션의 개념, 알고리즘, JVM에서의 동작 방식을 이해하는 데 유용합니다.