가비지 컬렉터(GC) feat.힙 영역

Heap 영역

가비지 컬렉터(GC)를 이해하기 전에 먼저 힙 영역에 대한 이해가 필요하다.

Heap 영역의 역할

자바의 힙 영역은 JVM 메모리 구조에서 가장 중요한 부분 중 하나로, 크게 세 가지 주요 역할을 한다.

 

1. 객체 저장 공간

자바의 객체와 배열(Array)과 같은 참조 타입 변수는 힙영역에 저장된다.
힙 영역에 저장된 데이터는 스택(Stack) 영역에 있는 참조 변수(reference value)를 통해 접근할 수 있다.

 

2. 동적 메모리 할당

프로그램 시작 시에 한 번에 전체 메모리가 할당되는 것이 아니라, 객체가 실제로 필요할 때 동적으로 메모리가 할당된다.

class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 여기서 person은 아직 생성되지 않음
        Person person; 

        // 실행 시점에 메모리 할당
        person = new Person("Alice", 25); 
    }
}

 

 

3. GC(Garbage Collection)의 대상

힙 영역에 저장된 객체는 참조되지 않을 경우 가비지 컬렉터(GC)에 의해 제거된다.
이는 메모리 누수를 방지하고, 불필요한 객체를 정리하여 프로그램 성능을 유지하는 역할을 한다!

 

 

힙 영역의 구조

힙 영역은 Young , Old, 그리고 과거에 사용되었던 Perm 영역으로 나뉜다.

PermGen은 JDK 8 이후부터 Metaspace로 대체되었다.

 

1. Young 영역(Young Generation)

새롭게 생성된 객체가 저장되는 영역이다.

Young 영역은 다시 Eden과 2개의 Survivor영역으로 나뉜다.

 

• Eden
  객체가 생성되었을 때 처음 할당되는 영역으로, Young 영역의 주요 공간이다.
  Minor GC가 실행되면 이 영역의 살아남은 객체들이 Survivor 영역으로 이동된다.
• Survivor 0, Survivor 1(S0, S1)
  Eden 영역에서 살아남은 객체들이 저장되는 공간으로, 두 영역(S0, S1)이 번갈아 사용된다.
  즉, 두영역 중 하나는 반드시 비어 있어야 한다.

 

2. Old 영역(Old Generation)

Young 영역에서 여러 번 Minor GC를 거친 장수 객체가 이동되는 영역이다.
생명 주기가 긴 객체(전역 객체, 캐시 데이터)가 저장되기 때문에 Young 영역보다 크고, 상대적으로 GC 빈도가 낮다.

 

3. Metaspace 영역(JDK 8 이상)

PermGen을 대체한 영역으로, 클래스의 메타데이터(구조, 메서드, 필드 정보)를 저장한다.
Metaspace는 힙 외부의 네이티브 메모리를 사용하며, 동적으로 크기를 조정할 수 있다.

 

왜 Heap 영역은 Young Generation과 Old Generation으로 나뉠까?
JVM의 대부분의 객체는 생성 후 곧바로 사용되지 않거나, 빠르게 소멸된다. 따라서 객체의 **생명 주기**에 따라 메모리를 분리 관리하는 것이다.
보통 GC 튜닝의 핵심으로 Old 영역에서 수행하는 메이저 GC를 줄이는 것이 핵심이다.
Old 영역이 크기가 더 크기때문에 GC 수행에 더 많은 리소스와 속도가 소요되기 때문이다.

 

 

가비지 컬렉션(GC)란?

GC는 자바의 메모리 관리 방식 중의 하나로, 힙 영역에 동적으로 할당된 메모리 중 필요 없어진 영역, 즉 어떤 변수도 가리키지 않는 객체를 제거하는 프로세스를 의미한다.

 

 

가비지 컬렉션(GC)의 대상

GC는 어떤 오브젝트를 Garbage, 즉 쓰레기로 판단하고 제거하는 것일까?

 

GC는 객체가 메모리에서 참조되고 있는지의 여부를 기준으로 Reachable, Unreachable 2가지의 객체로 구분한다.

 

1. Reachable (도달 가능한 객체)
현재 실행 중인 프로그램에서 참조되거나, 참조될 가능성이 있는 객체

 

2. Unreachable (도달 불가능한 객체)
프로그램 내에서 더 이상 참조되지 않거나, 어떤 객체도 이를 참조하지 않는 객체

JVM 메모리에서 객체들은 실질적으로 힙 영역에 생성되고 메서드, 스택 영역에는 힙 영역에 생성된 객체의 주소를 참조하는 형식이다.

 

만약 힙 영역의 객체가 더 이상 참조되지 않아 메서드, 스택 영역에서 해당 객체를 참조하는 변수가 삭제되면 Unreachable 객체가 발생하게 된다.
GC는 이 객체를 주기적으로 제거해주는 것이다.

 

 

가비지 컬렉션(GC)의 동작 방식

GC는 어떤 방식으로 Unreachable 객체들을 청소할까?

 

Mark-and-Sweep

GC는 보통 Mark-and-Sweep 알고리즘을 사용하여 동작하며, 다음 세 단계로 구성된다.

 

 

Mark(식별) 단계

GC가 Root(참조의 시작점)에서 시작하여 객체 그래프를 탐색하며, 각각 어떤 객체를 참조하고 있는지 찾아낸다.
참조되고 있는 모든 객체(Reachable 객체)를 식별하고 "마크(Mark)"한다.

 

Sweep(제거) 단계

마크되지 않은 객체(Unreachable 객체)를 메모리에서 제거한다.

 

Compaction(압축) 단계

Sweep 후에 메모리에 남아 있는 객체들을 한쪽으로 모아 연속된 빈 공간을 확보한다.
객체가 여기저기 분산되어 메모리의 연속된 공간이 없어 큰 객체를 할당할 수 없는 상황 단편화(Fragmentation)를 방지하기 위해 수행된다.

작업 비용(시간과 자원)이 크기 때문에 필요할 때만 수행된다.

 

 

가비지 컬렉션(GC)의 동작 과정

위에서 힙 메모리 영역은 Young, Old 영역으로 나뉜다고 했다.
Young 영역에서 수행되는 GC를 Minor GC, Old 영역에서 발생하는 GC를 Major GC, 또는 Full GC라고 한다.

Minor GC 과정

Young 영역에서 수행되는 GC를 Minor GC라고 한다.

Young 영역은 수명이 짧은 객체들이 생성되기 때문에 Old 영역에 비해 상대적으로 작다.
고로 작은 메모리 공간에서 객체를 찾아 제거하기 때문에 적은 시간이 걸려 Minor인 것이다.

1. 객체가 생성되면 Young의 Eden 영역에 저장된다.
2. Eden 영역이 가득 차, 새 객체를 저장할 공간이 없을 때 Minor GC가 실행된다.
3. Reachable 객체를 골라내 비어있는 Survivor 영역으로 이동한다.(mark)
4. Unreachable 객체의 메모리는 제거한다.(sweep)
5. 살아남은 객체들은 Survivor 영역으로 이동하며, age값이 1씩 증가한다.
6. 특정 임계값(age)에 도달한 객체는 Old 영역으로 이동한다(= Promotion).

 

Survivor 간 객체 이동과 age

Eden 영역의 Reachable 객체가 살아남으면 활성 Survivor 영역(S0 또는 S1)으로 이동한다.
이미 Survivor 영역에 있는 객체는 다음 Minor GC 동안 다른 Survivor 영역으로 이동한다.
이 과정을 반복하여 객체가 Survivor 영역에서 살아남을 때마다 생명 횟수(age)를 증가시켜 기록하는 것이다.

 

이 age 값이 임계값에 도달하면 Old 영역으로 이동한다. = Promotion(승격)
이 임계값은 JVM 설정에 따라 변경 가능하다.
예를 들어, -XX:MaxTenuringThreshold=10으로 설정하면, 객체가 10번 Minor GC를 살아남았을 때 승격된다.

 

Major GC(Full GC) 과정

Young 영역에서 살아남은 객체들이 임계값에 도달하면 Old 영역으로 이동한다.(Promotion)

 

이렇게 Young 영역에서 계속 승격(Promotion)되어 Old 영역의 메모리가 부족해지면 Major GC가 실행된다.

 

Major GC는 Reachable 객체를 식별하고(mark), 참조되지 않는 객체를 제거(sweep)한 후 필요시 압축(Compaction)하는 단순한 과정이다.

 

Old 영역은 Young 영역에서 살아남은 수명이 긴 객체들이 저장되는 공간으로, 더 큰 메모리 공간을 필요로 한다.
이로 인해 GC 과정에서 더 많은 작업이 이루어지며, 시간이 오래 걸리므로 Minor GC보다 소요 시간이 길다.

 

 

가비지 컬렉션(GC)의 단점

GC는 메모리를 언제 해제할지 개발자가 직접 제어할 수 없다는 비결정성을 가지고 있다. 이로 인해 메모리 해제가 필요한 시점을 정확히 알기 어렵고, GC 동작 중에는 애플리케이션의 다른 작업이 중단되어 성능 저하를 유발할 수 있다.
이 중단 시간으로 인해 발생하는 오버헤드 현상을 Stop-The-World라 한다.

 

Stop-The-World(STW)

GC를 수행하기 위해 프로그램 실행을 멈추는 것을 말한다.

GC가 실행되는 동안에는 Mark and Sweep 작업을 수행하는 스레드를 제외한 모든 스레드가 중단된다. 이로 인해 프로그램이 일시적으로 멈추거나 응답 속도가 느려질 수 있기 때문에 너무 자주 GC가 실행되면 성능 저하의 원인이 된다.
따라서 GC로 인한 STW 시간을 최소화하기 위해 다양한 GC 알고리즘이 개발되었다.

 

STW가 발생하는 이유?
일관된 객체 상태를 보장하려면 GC 중에 애플리케이션이 메모리 상태를 변경하지 못하도록 모든 스레드를 멈추는 과정이 필요하다. 
GC는 메모리를 정리하는 동안 메모리 구조가 변경되면 예측이 어려워질 수 있다.
이를 방지하기 위해 GC는 애플리케이션 스레드를 멈추고 단독으로 실행된다.

 

 

가비지 컬렉션(GC)의 알고리즘 종류

Serial GC

하나의 스레드로 GC를 실행하는 방식이다.
즉 GC를 처리하는 스레드가 1개(싱글 스레드)여서 Stop The World 시간이 길다.
Minor GC 에는 Mark-Sweep을 사용하고, Major GC에는 Mark-Sweep-Compact를 사용한다.

 

장비가 엄청 안 좋지 않은 이상 실무에서 사용하는 경우는 없다.

 

프로그램 실행 시 -XX:+UseSerialGC 옵션을 지정하여 사용할 수 있다.

java -XX:+UseSerialGC -jar Application.java

 

 

Parallel GC

Java 8의 디폴트 GC로, Young 영역의 Minor GC를 멀티 스레드로 수행하는 방식이다. (Old 영역은 여전히 싱글 스레드로)
Serial GC에 비하면 Stop The World 시간이 짧다.

 

GC 스레드는 기본적으로 cpu 개수만큼 할당되지만 아래 옵션으로 개수를 설정할 수 있다.

java -XX:+UseParallelGC -jar Application.java 
# -XX:ParallelGCThreads=N : 사용할 쓰레드의 갯수

 

 

Parallel Old GC

Parallel GC를 개선한 버전으로, Young 영역뿐만 아니라 Old 영역도 멀티 스레드로 GC를 수행하는 방식이다.

 

 

CMS GC(Concurrent Mark Sweep)

GC스레드와 애플리케이션 스레드를 동시에 실행하는 방식을 말한다.
즉, GC 작업을 애플리케이션과 동시에 실행하는 것이며 Stop The World 시간을 최대한 줄이기 위해 고안된 방식이다.

하지만 메모리와 CPU를 많이 사용하고, 메모리 파편화를 해결하는 Compaction이 기본적으로 지원되지 않아 Java9 버전부터 deprecated 되었고 결국 Java14에서는 사용이 중지되었다.

# deprecated in java9 and finally dropped in java14
java -XX:+UseConcMarkSweepGC -jar Application.java

 

 

 

G1 GC(Garbage First)

CMS GC를 대체하기 위해 설계된 방식으로, 대용량의 메모리가 있는 멀티 프로세스 시스템을 위해 제작되었다.

G1 GC는 가비지가 많은 영역(Garbage First)을 우선적으로 청소하는 방식으로 동작한다.

Java 9부터 디폴트 GC로 지정되었다.

 

G1 GC는 힙 메모리를 Young 영역과 Old 영역으로 나누지 않고, 고정된 크기의 여러 개의 Region(영역) 으로 나눈 다음 아래의 영역을 동적으로 할당한다.

• Eden Region: 새롭게 생성된 객체 저장
• Survivor Region: Eden에서 살아남은 객체 저장
• Old Region: 장수 객체 저장
• Humongous Region: 매우 큰 객체(히스토그램 기준 특정 크기 이상) 저장

그다음 G1 GC는 가장 많은 가비지가 쌓여 있는 Region을 먼저 청소하여 최대한 효율적으로 메모리를 확보한다.
GC 빈도가 줄어드는 효과를 얻는 것이다.

 

여러 GC 스레드를 사용하여 병렬로 작업을 수행하고 각 Region에 대해 Compaction(압축)도 하기 때문에 단편화를 방지할 수 있다는 장점이 있다.

특히 대규모 힙 메모리를 사용하는 애플리케이션에서 우수한 성능을 발휘한다. (힙이 작을경우 미사용을 권장)
G1 GC가 Parse Time을 제어함으로써 GC 작업을 수행하면서 발생하는 STW 시간을 일정 수준 이하로 유지하려고 한다.

java -XX:MaxGCPauseMillis=200

설정된 목표 Pause Time에 맞게 작업의 크기와 범위를 동적으로 조정한다. 예를 들어 더 짧은 목표 Pause Time이 설정되면 GC는 수집할 Region의 개수를 줄여 작업을 빠르게 완료한다.

 

 

 

 

참고
GC(Garbage Collector) 종류 및 내부 원리
☕ 가비지 컬렉션 동작 원리 & GC 종류 💯 총정리
10분 테코톡 🤔 조엘의 GC