[Java] 참조 도달 가능성 reachability

출처

ChatGPT

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자바의 참조 도달 가능성(reachability) 개념은 Garbage Collection(GC) 매커니즘의 핵심으로, 자바 가비지 컬렉터가 객체가 여전히 "사용 중"인지, 아니면 "더 이상 사용되지 않는 상태"인지 결정하는 데 사용하는 중요한 기준이다. 도달 가능성은 객체가 여전히 프로그램의 실행 경로 내에서 접근 가능하고, 사용될 가능성이 있는지를 나타낸다.

 

1. 참조 도달 가능성이라?

참조 도달 가능성(reachability)은 특정 객체가 프로그램의 어떤 부분에서든 접근 가능하고 사용될 가능성이 있는지를 나타내는 개념이다. 자바 가비지 컬렉터는 프로그램 내의 모든 객체를 대상으로 도달 가능성 분석(reachability analysis)을 수행하며, 이 분석에 따라 객체의 생명주기를 관리한다.

2. 도달 가능성의 유형

자바에서는 참조 도달 가능성에 따라 객체의 상태를 여러 가지로 분류할 수 있다.

2.1 강한 참조 Strongly Reachable

정의

객체가 강한 참조(strong reference)에 의해 접근 가능한 경우, 해당 객체는 강하게 도달 가능한 상태이다.

설명

만약 객체에 접근할 수 있는 경로(reference chain)가 존재하며, 그 객체는 강하게 도달 가능한 상태이다.

예시

로컬 변수나 클래스 필드가 해당 객체를 참조하고 있으면, 이 객체는 강하게 도달 가능한 상태이다.

Object obj = new Object(); // 'obj'는 강한 참조, 'new Object()'는 강하게 도달 가능

 

2.2 약한 참조 Weakly Reachable

정의

객체가 약한 참조(weak reference)에 의해서만 접근 가능할 때, 해당 객체는 약하게 도달 가능한 상태이다.

설명

약한 참조는 객체의 생명주기에 영향을 주지 않는다. 즉, 객체가 약한 참조에만 의존하는 경우, GC는 객체를 수거 대상으로 간주한다.

예시

WeakReference로 참조된 객체는 약하게 도달 가능하며, 다른 강한 참조가 없을 때 GC의 대상이 된다.

WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(new Object());
// weakRef가 가리키는 객체는 약하게 도달 가능

 

2.3 유령 참조 Phantomly Reachable

정의

객체가 유령 참조(phantom reference)로만 접근 가능한 경우, 해당 객체는 유령 도달 가능 상태이다.

설명

유령 참조는 객체가 가비지 컬렉션이 수행된 후에도 잔존하는 경우를 나타내며, 객체의 메모리가 해제되기 전에 추가 작업이 수행될 수 있도록 한다. 유령 참조는 일반적으로 GC 이후 정리(clean-up) 작업을 수행하기 위해 사용된다.

예시

PhantomReference로 참조된 객체는 ReferenceQueue에 들어가서, 메모리가 실제로 해제되기 전에 최종 처리를 할 수 있다.

ReferenceQueue<Object> refQueue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(new Object(), refQueue);
// phantomRef는 유령 참조로, 객체는 유령 도달 가능 상태

2.4 종단 참조 Finally Reachable

정의

객체가 종단 참조(finally reference)로만 접근 가능한 경우이다.

설명

객체가 참조되지는 않지만, finalize() 메소드를 호출할 수 있는 상태이다. 이러한 객체는 finalize() 메소드가 호출된 후에도 회수되지 않으며 다음 GC에서 제거된다.

예시

객체가 종단 도달 가능 상태에 도달하면, GC는 객체의 finalize() 메서드를 호출하여 정리 작업을 수행할 수 있다.

class MyClass {
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        System.out.println("Finalize called!");
    }
}

MyClass obj = new MyClass();
obj = null; // 이제 객체는 강하게 도달 가능하지 않음, 종단 도달 가능 상태로 전환될 수 있음

 

3. 참조 도달 가능성 분석 과정

자바의 가비지 컬렉터는 도달 가능성 분석을 통해 객체가 여전히 사용 중인지 아니면 수집 대상인지 결정한다. 이 과정은 다음과 같은 단계로 이루어진다.

1. 루트 집합(Root Set) 식별

루트 집합은 객체 도달 가능성 분석의 시작 지점으로, 프로그램에서 직접적으로 접근할 수 있는 모든 참조를 포함한다.

일반적으로 루트 집합에는 다음이 포함된다.

• 스택(stack) 변수 : 현재 메소드 호출 스택에 있는 모든 지역 변수와 매개변수
• 정적 변수(static fields) : 클래스 로더에서 접근 가능한 모든 정적 필드
• JNI 참조 : Java Native Interface를 통해 네이티브 코드가 참조하고 있는 객체

2. 객체 그래프 탐색

루트 집합에서 시작해 모든 객체의 참조 관계를 따라가며, 도달 가능한 모든 객체를 탐색한다.

각 객체가 도달 가능 여부를 판단하기 위해, GC는 참조 그래프(reference graph)를 활용해 객체 간의 연결을 추적한다.

3. 가비지 컬렉션 대상 식별

참조 그래프를 통해 도달할 수 없는(unreachable) 상태로 판명된 객체들은 더 이상 프로그램에 의해 사용되지 않는 것으로 간주외더 가비지 컬렉션 대상이 된다.

 

4. 순환 참조와 Garbage Collection

자바의 가비지 컬렉터는 참조 도달 가능성에 기반해 객체를 수집하기 때문에, 순환 참조(circular reference)로 인한 메모리 누수는 발생하지 않는다. 순환 참조란 두 개 이상의 객체가 서로를 참조하고 있는 상태를 의미한다.

 

순환 참조의 예

class A {
    B b;
}

class B {
    A a;
}

A a = new A();
B b = new B();
a.b = b;
b.a = a;

a = null;  // a가 참조하는 A 객체는 더 이상 강한 참조를 받지 않음
b = null;  // b가 참조하는 B 객체도 더 이상 강한 참조를 받지 않음

 

위 예제에서 A 객체와 B 객체는 서로를 참조하고 있지만, a와 b 변수가 모두 null로 설정되면 더 이상 강한참조가 존재하지 않는다. GC는 두 객체가 서로를 참조하고 있어도, 외부에서 도달할 수 없다는 점을 확인하고 수집 대상에 포함시킨다.

 

5. 결론

참조 도달 가능성(reachability)은 자바의 GC가 객체를 수집할지 여부를 결정하는 중요한 기준이다. 도달 가능성 분석을 통해 프로그램이 사용하지 않는 객체를 식별하고, 이러한 객체를 자동으로 메모리에서 제거하여 메모리 누수를 방지한다. 그러나 프로그래머는 여전히 불필요한 참조를 최소화하고, 객체가 더 이상 필요하지 않ㅇ르 때 명시적으로 참조를 제거하는 등 메모리 관리에 신경 써야 한다. GC는 강력한 도구이지만, 올바른 메모리 관리 기법과 결합해 사용해야 최상의 결과를 얻을 수 있다.