CH1 - GC의 발전
1. GC란 무엇인가?
- GC란 이미 할당된 메모리에서 더이상 사용하지 않는 메모리를 해제하는 행동을 의미한다.
- 여기서 말하는 메모리는 Heap과 Method Area에서 사용되지 않는 프리미티브 타입을 제외한 모든 타입을 의미한다.
- 참고로 소스상의 close()를 볼 수 있는데 이 메서드는 Object(객체)의 사용 중지를 뜻하는 의사표현일 뿐 Object를 메모리에서 삭제하겠다는 뜻은 아니다.
- System.gc()를 명시적으로 호출할 수 있지만 이 메소드 호출은 Full GC를 수행시키는 메소드이기 때문에 Stop-the-world 시간이 길고 무거운 작업이며 반드시 즉시 수행한다는 보장도 없다.
2. GC가 왜 필요할까?
- Heap 영역에 저장되는 객체들이 계속해서 쌓이게 된다면 OutOfMemoryException이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해서 주기적으로 사용하지 않는 객체를 수집하여 제거해줘야 한다.
3. GC의 장단점
GC의 장점
- 가장 큰 장점으로 개발자가 동적으로 할당된 메모리 전체를 관리할 필요가 없어진다.
- 유효하지 않은 포인터에 접근하거나 이미 한번 해제한 메모리를 두번 해제하는 등 버그 등 불필요한 작업을 해소할 수 있게된다.
GC의 단점
- GC가 수행되는 정확한 시점을 알 수 없다.
- GC가 실행될 때는 반드시 애플리케이션을 중지시키는 Stop The World가 수행되고 이는 오버헤드를 일으키게 된다.
- 오버헤드는 성능 저하의 원인이 될 수 있다. 또한 프로그램에 예측 불가능하게 일시정지 될 수 있기 때문에 실시간 시스템에는 적합하지 않다.
4. GC의 발전
- JVM 버전이 올라감에 따라 여러가지 GC방식이 추가되고 발전되어 왔다. 때문에 다양한 방식의 GC가 존재하며 상황에 따라 필요한 GC방식을 설정해서 사용할 수 있다.
4-1 Serial GC
- 순차적은 GC 방식이다.
- 순차적으로 동작할 수 밖에 없는 이유는 GC를 처리하는 스레드가 하나이기 때문이다.
- 메모리나 CPU Core 리소스가 부족할 때 사용할 수 있을 것이다.
- Java가 처음 등장했던 90년대 후반의 PC들을 생각하면 이해가 쉽다.
4-2 Parallel GC
- 위의 Serial GC를 사용하던 시절보다 PC의 성능이 좋아졌다 !
- 메모리도 넉넉해지며 CPU Core 수도 증가
- Parallel GC는 Minor GC를 처리하는 스레드를 여러개로 늘려 좀 더 빠른 동작이 가능하게 한 방식이다.
- 그림처럼 Sereal GC는 작업을 하는 스레드가 하나지만 Parallel은 GC 스레드가 여러개 존재한다.
- 이 Parallel GC에서의 GC프로세스가 더 빠르게 동작할 수 있게 해주며 이러한 차이는 GC를 처리하는 동안 Java 프로세스가 모두 멈춰버리는 Stop-The-World 현상이 나타나는 시간에도 영향을 주게된다.
- 즉 Stop-The-World 시간이 조금 더 적게 걸리는 Parallel GC 에서의 Java 애플리케이션이 좀 더 매끄럽게 동작한다는 뜻을 가지고 있다.
4-3 CMS GC
- 앞서 살펴본 GC 방식보다 개선된 방식이다.
- 개선이 된 만큼 성능은 좋아졌지만 GC의 과정은 좀 더 복잡해진 방식이다.
- CMS는 GC에서 발생하는 STW 시간을 최소화 하는데 초점을 맞춘 GC이다.
- 즉 GC 대상을 최대한 자세히 파악 후 정리하는 시간을 짧게 가져가겠다는 컨셉이다.
- 다만 GC 대상을 파악하는 과정이 복잡하한 여러 단계로 수행되기 때문에 다른 GC 대비 CPU 사용량이 높다.
- CMS GC의 과정
- Initial Mark : GC 과정에서 살아남은 객체를 탐색하는 시작 객체(GC ROOT)에서 참조 Tree상 가까운 객체만 1차적으로 찾아가며 객체가 GC 대상인지를 판단한다. 이 때는 SWT 현상이 발생하게 되지만 탐색 깊이가 얕기 때문에 기간이 매우 짧다.
- Concurrent Mark : SWT 현상없이 진행되며 1단계에서 GC 대상으로 판별된 객체들이 참조하는 다른 객체들을 따라가며 GC 대상을 추가적으로 확인한다.
- Remart : 2단계의 결과를 검증한다. 이 단계에서 GC 대상으로 추가 확인되거나 참조가 제거되었는지의 확인을 한다. 이 검증과정은 STW를 유발하기 때문에 STW 지속시간을 최대한 줄이기 위해 멀테스레드로 검증 작업을 수행한다.
- Concurrent Sweep : STW 없이 3단계에서 검증 완료된 GC 객체들을 메모리에서 제거한다.
4-4 G1 GC
- 하드웨어가 발전되면서 Java 애플리케이션에 사용할 수 있는 메모리의 크기도 점차 커져갔다.
- 하지만 기존의 GC 알고리즘들로는 큰 메모리에서 좋은 성능을 내기 힘들었기 때문에 G1 GC가 등장하게 되었다.
- 즉 G1 GC는 큰 힙 메모리에서 짧은 GC 시간을 보장하는데 그 목적을 둔다.
- G1 GC는 앞서 살펴본 GC와는 다른 방식으로 힙 메모리를 관리한다.
- 위의 Eden, Survivor, Old 영역이 존재하지만 고징된 크기로, 고징된 위치에 존재하는 것이 아니다.
- 전체 힙 메모리 영역을 Region 이라는 특정한 크기로 나눠서 각 Region이 상태에 따라 그 Region에 역할(Eden, Survivor, Old)이 동적으로 부여되는 상태이다.
- JVM 힙은 2048개의 Region으로 나눌 수 있으며 각 Region의 크기는 1MB~ 32MB 사이로 지정될 수 있다.
G1 GC 자세히 보기
- G1 GC에서는 그동안 Heap에서 보지 못한 Humongous, Avaliable/Unused 가 존재한다.
- Humongous
- Region 크기의 50%를 초과하는 큰객체를 저장하기 위한 공간이다.
- 이 Region에서는 GC 동작이 최적으로 동작하지 않는다.
- Avaliable/Unused
- 아직 사용되지 않은 Region을 의미한다.
- G1 GC에서 Young GC를 수행할 때는 STW현상이 발생하며 STW 시간을 최대한 줄이기 위해서 멀티스레드로 수행한다.
- Young GC는 각 Region중 GC 대상 객체가 가장 많은 Region(Eden, Survivor)에서 수행된다.
- 이 Region에서 살아남은 객체를 다른 Region(Surivor 역할) 으로 옮긴 후 비워진 Region을 사용가능한 Region으로 돌리는 형태로 동작한다.
- G1 GC에서 Full GC 수행과정
- Initail Mark
- Old Region에 존재하는 객체들이 참조하는 Suvivor Region을 찾는다. 이 과정에서 STW 현상이 발생한다.
- Root Region Scan
- Initial Mark 에서 찾은 Survivor Region에 대한 GC 대상 객체 스캔 작업을 진행한다.
- Concurrent Mark
- 전체 힙의 Region에 대해 스캔 작업을 진행하며, GC 대상 객체가 발견되지 않은 Region은 이후 단계를 처리하는데 제외되도록 한다.
- Remart
- 애플리케이션을 멈추고(STW) 최종적으로 GC 대상에서 제외될 객체를 식별해낸다.
- Cleanup
- 애플리케이션을 멈추고(STW) 살아있는 객체가 가장 적은 Region에 대한 미사용 객체 제거를 수행한다.
- 이후 STW를 끝내고 앞선 GC 과정에서 완전히 비워진 Region을 Freelist에 추가하여 재사용 될 수 있게 한다.
- Copy
- GC 대상 Region이었지만 CleanUp 과정에서 완전히 비워지지 않은 Region의 살아남은 객체들을 새로운(Avaliable/Unused) Region에 복사하여 Compaction 작업을 수행한다.
CH2 - GC의 동작원리
1. GC를 도입하게 된 이유
대부분의 객체는 금방 접근 불가능 상태가 된다.
for(int i=0; i<10000; i++) { Object object = new Object(); ~~~ }
- 10,000번의 오브젝트 객체는 Loop 내에서 생성되고 Loop 밖에서는 사용할 일이 없어진다.
- 이런 객체들이 메모리를 계속 점유하고 있다면 다른 코드를 실행하기 위한 메모리 작원은 지속적으로 줄어들기만 할 것이다.
- GC는 이렇게 한번 쓰이고 버려지는 객체들 즉 접근 불가능 상태가 된 객체를 주기적을 비워줌으로써 한정된 메모리를 효율적으로 사용할 수 있게 해준다.
오래된 객체에서 젊은 객체로의 참조는 아주 적게 존재한다.
- 자바 개발시 가장 많이 사용하는 객체는 POJO(Plain Old Java Object)일 것이다.
- 보통 어떤 값이나 상태를 저장하기 이해 POJO 객체를 생성하고, 다른 메소드나 클래스에 전달하고, 다 사용한 객체는 더이상 사용하지 않는다.
- 경우에 따라 오래 살아남아 재활용 되는 케이스가 있긴 하지만, 대부분의 경우는 아닐 것이다.
Model model = new Model("value"); do(model); // 더이상 사용하지 않는다. ```
2. GC 가 일어나는 과정(메모리 수거하는 과정)
현재 사용중인 객체의 메모리를 제거한다면 프로그램이 정상적으로 실행되지 않을 것이다. 때문에 GC를 위해서는 우선 메모리에 있는 격체가 현재 사용중인지 사용중이 아닌지를 구분할 수 있어야 한다 !
2-1 GC의 동작 순서 (수거 과정)
- Mark - GC Root로부터 모든 변수를 스캔하면서 각각 어떤 객체를 참조하고 있는지 찾아서 마킹한다.
- Sweep - Unreachable한 객체들을 Heap에서 제거한다.
- Compact(optional) - Sweep 후에 분산된 객체들을 Heap의 시작 주소로 모아 메모리가 할당된 부분과 그렇지 않은 부분으로 나눈다.
2-2 GC가 일어나는 과정
오래된 객체의 기준은 뭘까 ?
- JVM에서는 이 오래된 객체를 표현하기 위해서 메모리를 여러 영역으로 나눴다 !
Minor GC가 발생하는 동안 얼마나 오래 살아남았는지로 판단하게 된다. 각 객체는 Minor GC에서 살아남은 횟수를 기록하는 age bit를 가지고 있다. Minor GC가 발생할 때마다 age bit 값은 1씩 증가하게 되며 이 bit 값이 설정값을 초과하게 되는 경우 Old 영역으로 객체가 이동하게 된다. 또는 설정값을 초과하기 전이라도 Suvivor 영역보다 메모리가 클 경우 Old 영역으로 객체가 옮겨질 수도 있다.
- 처음 생성된 객체는 Young Generation 영역의 일부인 Eden 영역에 위치하게 된다.
- 그리고 Eden영역이 가득 차 Minor GC가 발생하게 된다면 사용하지 않는 즉 다른곳에서 참조하지 않는 객체는 메모리에서 제거된다.
- Mark 과정에서 살아남은 객체들은 Survivor 영역으로 복사한후 Eden 영역에 있는 데이터들을 삭제한다.
- 그 다음 다시 Minor GC가 일어났을 때 Eden 영역과 Servivor 0 영역을 모두 mark하고 살아남은 객체들은 다시 1 영역으로 복사하고 Eden 영역과 0 영역의 데이터를 삭제한다 복사하는 과정에서 해당 객체의 Age bit 값이 증가한다.
- 특정 age에 도달한 객체들은 Old 영역으로 옮겨지며 이 옮겨지는 현상을 promotion이라고 부른다.
- Old generation 영역에도 꽉차면 Major GC가 발생한다.
3. GC의 종류 및 설명
Minor GC
- 자바 객체가 생성되면 처음에 Eden 영역에 저장된다.
- 생성된 객체는 Minor GC가 발생할 때 Survivor 영역으로 이동한다.
- Survivor 영역은 1,2 두 영역으로 나누어지는데, Minor GC가 발생하면 Eden 과 Survivor 활성 객체를 다른 Survivor로 복사한다.
- 두 영역중에 반드시 1개의 영역에만 데이터가 존재할 수 있다.
- 둘 중 1개의 영역은 반드시 빈 상태가 되어야한다.
- 활성이 아닌 객체는 즉 GC의 대상이 되는 객체는 다른 Survivor 영역에 남아있게 되며 해당 Survivor 영역과 Eden 영역을 클리어한다.
- 1~4번의 과정을 반복하면서 Survivor 영역에서 오래 살아남은 객체는 Old 영역으로 옮기게된다.
- 속도가 빠름
- 작은 크기의 메모리를 콜렉팅하는데 효과적이다.
- Stop The World 방식으로 Stop The World 시간이 짧다.
Major GC
- Old 영역이 가득 차면 발생하는 GC다.
- Minor GC 과정에서 삭제되지 않고 Old 영역으로 옮겨진 객체 중 미사용된다고 판단되는 객체를 삭제하는 GC다.
- Stop The World 방식이며 Stop The World 시간이 길다.
대표적으로 Mark & Sweep 알고리즘을 사용한다.
- GC로 Root로부터 모든 객체들의 참조를 확인하면서 참조가 연결되지 않은 객체를 Mark한다.
- GC Root란 Runtime Data Area에서 Method Area, Native Stack(JNI), Java Stack 등에서 Heap 메모리 Object들을 참조하는 영역
- 1번의 작업이 끝나면 사용되지 않는 객체를 모두 표시하고 이 표시된 객체를 Sweep 한다.
Full GC
- 속도가 매우 느리다.
- Full GC가 일어나는 도중에는 순간적으로 자바 애플리케이션이 중지 되기 때문에 애플리케이션의 성능과 안정성에 영향을 준다.
- Heap 메모리 전체 영역에서 발생한다.
- Old, Young 영역 모두에서 발생하는 GC다.
- Minor GC, Major GC 모두 실패하거나 Young 영역과 Old 영역이 모두 가득 찼을 때 발생한다.
대표적으로 Mark & Sweep & Compact 알고리즘을 사용한다.
- 전체 객체들의 참조를 확인하면서 참조가 연결되지 않은 객체를 Mark한다.
- 1번의 작업이 끝나면 사용되지 않는 객체를 모두 표시하고 이 표시된 객체를 Sweep 한다.
- 메모리를 정리하여 메모리 단편화를 해결할 수 있도록 한다.
이 중에서 Minor GC와 Major GC로 구분하는 이유는 뭘까?
- JVM은 Heap 영역을 설계할 때 2가지 전제조건으로 설계가 되었다.
- 대부분 객체가 금방 접근 불가능한 상태가 된다.
- 오래된 객체에서 새로운 객체로의 참조는 드물게 존재한다.
- 객체는 일회성인 경우가 많고, 메모리에 오래 남아있는 경우가 드물기 때문에 Young, Old 영역으로 분리하여 설계하였다. 따라서 자주 발생하는 Minor GC, Old 영역이 가득 찰 때 생하여 비교적 적게 발생하는 Major GC로 나눠져서 발생한다.