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[Java] GC(Garbage Collection) 본문
GC(Garbage Collection)
- JVM의 heap 영역에서 사용하지 않는 객체를 삭제하는 프로세스
Reachability
- 어떤 객체에 유효한 참조가 존재한다면 Reachable, 그렇지 않다면 Unreachable
*GC Roots
- stack 영역의 데이터들
- method 영역의 static 데이터들
- JIN에 의해 생성된 객체들
- heap 영역의 다른 객체의 참조도 reachable
Mark and Sweep, Compact
- Mark : GC Root로부터 모든 변수를 스캔하면서 어떤 객체를 참조하고 있는지 찾아서 마킹한다.
- Sweep : Unreachable 객체들을 Heap에서 제거한다.
- Compact : Sweep 후에 분산된 객체들을 Heap의 시작 주소로 모아 메모리가 할당된 부분과 그렇지 않은 부분으로 나눈다. (알고리즘에 따라 추가됨)
Heap 구조
- Young generation : 새로운 객체들이 이 영역에 할당된다. Eden과 2개의 Survival 영역으로 나누어지며 Young 영역에서 일어나는 GC를 'Minor GC'라 한다.
- Old generation : Young 영역에서 오랫동안 살아남은 객체들은 Old 영역으로 이동하게 된다. 해당 영역에서 일어나는 GC를 'Major GC' 또는 'Full GC'라 한다.
- MetaSpace : 자바 8부터 등장했으며 자바 7까지는 Permanent generation영역이었으나 제거되었다. 클래스 메타데이터들이 이 영역에 할당된다.
GC의 과정
GC에 대해서 알아보기 전에 알아야 할 용어가 있다. 바로 'stop-the-world'이다. stop-the-world란, GC을 실행하기 위해 JVM이 애플리케이션 실행을 멈추는 것이다. stop-the-world가 발생하면 GC를 실행하는 스레드를 제외한 나머지 스레드는 모두 작업을 멈춘다. GC 작업을 완료한 이후에야 중단했던 작업을 다시 시작한다. 어떤 GC 알고리즘을 사용하더라도 stop-the-world는 발생한다. 대개의 경우 GC 튜닝이란 이 stop-the-world 시간을 줄이는 것이다.
1. 새로운 객체가 Eden 영역에 할당된다.
2. Eden 영역이 가득 차면 Minor GC가 일어난다. 살아남은 객체는 Survival 영역 중 한 곳(S0)으로 이동하고 Eden 영역은 빈 상태가 된다.
3. 다음 Minor GC 가 일어나면 S0과 Eden에서 살아남은 객체들은 다른 Survivor 영역인 S1으로 이동한다. 그리고 S0과 Eden 영역은 빈상태가 된다.
4. Minor GC가 일어날 때마다 살아남은 객체들은 각 서바이벌 영역을 이동하게 된다.
5. 위와 같은 과정이 반복되면서 오랫동안 Young 영역에서 살아남은 객체들은 Old 영역으로 이동하게 되는데 이를 Promotion이라 한다.
6. Promotion의 반복으로 Old 영역이 가득 차게 되면 Major GC가 일어난다.
* 'Weak Generational Hypothesis'의 전제 덕분에 위와 같이 효율적인 GC 과정이 가능하다.
1. Most allocated objects are not referenced (considered live) for long, that is, they die young.
대부분의 객체는 금방 접근 불가능한 상태(unreachable)가 된다. 즉, 금방 garbage가 된다.
2. Few references from older to younger objects exist.
오래된 객체에서 젊은 객체로의 참조는 아주 적게 존재한다.
두 번째 전제인 '오래된 객체에서 젊은 객체로의 참조는 아주 적게 존재한다.'의 경우 참조하는 일이 생길 수 있다는 뜻이 되는데, 오래된 객체가 그렇지 않은 객체를 참조하는 경우엔 어떻게 처리할까? 이럴 경우를 위해 'card table'이라는 JVM이 관리하는 바이트 배열을 두었다. 오래된 객체가 젊은 객체를 참조할 때는 이 카드 테이블에 정보를 기록하고 Minor GC시 Old영역을 스캔하지 않고 카드 테이블을 통해 GC 대상인지 식별한다.
Garbage Collector의 종류
GC는 다음과 같은 5개의 종류가 존재하고 상황에 따라 필요한 가비지 콜렉터를 선택해서 사용할 수 있다.
- Serial GC
- Palleral GC
- Palleral Old GC
- CMS GC (Concurrent Mark Sweep)
- G1 GC (Garbage First)
Serial GC
Serial GC는 Java SE 5, 6에서의 기본 가비지 콜렉터이다. 싱글 스레드 환경에 맞게 설계되었다. Young 영역과 Old 영역에 대한 가비지 컬렉션 과정이 싱글 스레드로 동작하기 때문에 다른 GC에 비해 'Stop The World' 시간이 길다. Old 영역에 대한 GC에선 Mark-Sweep-Compact 알고리즘을 사용한다.
Parallel GC
Parallel GC의 GC과정은 Serial GC와 같지만 Serial GC와 달리 Young영역의 GC과정을 멀티 스레드로 수행한다는 점에서 차이가 있다. 따라서 Serial GC에 비해 'Stop The World' 시간이 줄어들었다.
Parallel GC에선 Young 영역에 대해서만 멀티 스레드로 GC를 수행하였는데 Parallel Old GC는 이를 개선하여 Old 영역에 대해서도 멀티 스레드로 수행한다. Old영역에서 Mark-Sweep-Compact 알고리즘을 사용하는 것을 Mark-Summary-Compact 알고리즘을 사용한다.
CMS GC (Concurrent Mark Sweep)
CMS GC는 Old 영역에 대한 GC이다. Young 영역에 대해선 Parallel GC와 같은 방식으로 수행한다. CMS GC는 가비지 컬렉션 과정에서 생기는 'Stop The World' 시간을 최소화하기 위해 설계되었다. 따라서 다른 GC와 다르게 Compaction 과정이 없다.
CMS GC에는 다음과 같은 4개의 과정이 존재한다.
- Initial Mark GC Root에서 가장 먼저 참조하는 객체들만 식별한다. Reachable 객체들을 전부 찾는 것이 아니기 때문에 Stop The World 시간이 짧다.
- Concurrent Mark 싱글 스레드로 수행되며 다른 스레드가 멈추지 않고 동시에 수행된다. Initial mark 단계에서 식별한 객체가 참조하고 있는 모든 객체들을 추적한다.
- Remark Concurrent Mark 단계에서 식별한 객체를 다시 추적하여 추가되거나 참조가 끊긴 객체를 확인하고 확정한다. 멀티 스레드로 동작하기 때문에 Stop The World 시간이 짧다.
- Concurrent Sweep 최종적으로 살아있는 객체를 제외한 객체들을 삭제한다. 싱글 스레드로 수행되며 다른 스레드와 동시에 수행되기 때문에 Stop The World가 발생하지 않는다. 하지만 Compact 과정이 존재하지 않기 때문에 메모리 단편화가 생겨 Concurrent Mode Failure(CMF)가 발생할 수 있다. Concurrent Mode Failure는 Old영역에 더 이상 메모리를 할당할 공간이 없을 때 발생하는데 메모리 단편화로 인해 Old 영역의 빈 공간이 충분히 존재함에도 불구하고 크기가 큰 객체를 할당할 수 없는 경우가 생길 수 있다. CMF가 발생하면 강제적으로 Compaction을 수행하므로 'Stop The World' 시간이 다른 GC보다 길어질 가능성이 있다.
G1 GC(Garbage First)
G1 GC는 CMS GC를 대체하기 위해 만들어졌다. G1 GC기존의 GC와 다르게 Young 영역과 Old 영역을 물리적으로 나누지 않고 힙을 일정한 크기의 Region이라는 논리적 단위로 나누어서 관리한다. 이때 G1 GC는 Garbage만 있는 Region을 처음에 수거하기 때문에 Garbage First라는 이름이 붙었다. CMS GC와 다르게 Compaction 단계를 진행해 메모리 단편화를 없앴다.
G1 힙에 할당된 모습이다. 각 Region은 Eden, Survivor, Old의 공간으로 할당된다. GC후 살아남은 객체는 다른 Region으로 이동 또는 복사될 수 있다. 또한 Eden, Survivor, Old 이외로 Homongous라는 영역이 존재하는데 이는 객체의 크기가 Region의 50% 보다 큰 경우를 위한 영역이다.
G1에서의 Young GC는 기존의 Minor GC와 비슷하게 동작한다. 멀티 스레드로 GC를 수행하며 Young GC후 살아남은 객체는 Survivor 영역으로 이동하거나 Old 영역으로 이동한다. 이 과정에서 Stop-The-World가 발생하는데 다음 발생할 Young GC를 위해 Eden과 Survivor영역의 크기를 재계산한다.
Young GC후 살아남은 객체들은 기존의 Region이나 새로운 Region으로 이동하는데 이 과정을 Evacuation Pause라고도 한다.
G1의 Old GC
G1의 Old GC는 다음과 같은 5개의 과정이 존재하고 일부 과정은 Young GC 과정의 일부이다.
1. Initial Mark
Initial Mark 단계에선 Survivor 영역에서 Old 영역을 참조하고 있을 수 있는 영역들을 마킹한다. Survivor 영역을 마킹하는 단계이기 때문에 Young GC에 의존적(PiggyBacked)이기 때문에 Stop The World를 발생시킨다.
2. Root Area Scan
Initial Mark 단계에서 찾은 Survivor Region에 대한 GC 대상을 식별한다. 멀티 스레드로 동작하며 Minor GC가 발생하기 전에 동작을 완료한다.
3. Concurrent Mark
힙 내의 모든 Old 영역에 대해 GC 대상을 식별한다. 또한 Region에 모든 객체가 Garbage라 판단되면 Remark 단계에서 즉시 제거된다. Stop-The-World를 발생시키지 않지만 Young GC에 의해 중단될 수 있다.
4. Remark
Stop The World 구간으로 Concurrent Mark단계에서 GC 대상을 식별하는 것을 완료하고 모든 객체가 Garbage라고 판단된 Region을 제거하고 반환한다. 그리고 각 Region에 대한 'liveness'를 계산한다. Snapshot-At-The-Beginnig(SATB) 알고리즘을 사용하여 CMS GC 보다 속도를 높였다. SATB 알고리즘이란 Stop The World 이후의 살아있는 객체에만 마킹하는 알고리즘이다.
5. Copy / CleanUp
Stop The World가 발생하는 단계로 Remark 단계에서 제거한 Region 이외에 liveness가 가장 낮은 Region을 선택하고 새로운 Region으로 이동 또는 복사한다. 이 과정에선 Old 영역뿐만 아니라 Young 영역도 포함될 수 있다.
6. After Copy / CleanUp
Copy/Clean Up 단계 이후 새로운 Region으로 이동하고 Compact 되었다.
참고 - [10분 테코 톡] 🐥엘리의 GC
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