GarBage Collection 이란?
메모리 관리를 자동해주는 시스템으로 프로그램이 더 이상 사용하지 않는 메모리 영역을 자동으로 찾아 해제하여 메모리 누수를 방지하는 것으로, 힙영역에서 작동합니다. 이를 통해 개발자는 더이상 메모리를 관리 하지않으면서 개발에만 집중할 수 있게됩니다. 하지만 단점으로는 자동으로 메모리를 관리해주는 만큼 언제 메모리가 해제 되는지 알수가 없어 제어하기 힘들며, GC가 동작하면 Stop-The-Word로 다른동작들이 멈추기 때문에 오버헤드가 발생 됩니다.
Stop-The-Word
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GC 시작: GC가 시작되면, JVM은 모든 스레드를 일시 정지합니다.
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메모리 분석: GC는 Root 객체로부터 시작하여 도달 가능한 객체를 표시하고, 더 이상 사용되지 않는 객체를 해제합니다. 이 과정에서 애플리케이션은 어떤 작업도 수행하지 않습니다.
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메모리 회수: 사용되지 않는 객체가 해제되고, 메모리가 회수된 후, JVM은 모든 스레드를 다시 시작합니다.
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애플리케이션 재개: 스레드가 다시 실행되고, 애플리케이션은 정상적으로 동작하기 시작합니다.
그렇다면 JVM의 메모리의 구조에 대해 알아야될 필요가 있다고 생각됩니다.
JVM
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자바 프로그램이 실행되면 OS로부터 메모리를 할당 받아 메모리 용도에 따라 여러 영역으로 나눈다.
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컴퓨터의 메모리는 한정적이기 때문에, 어떻게 관리하느냐에 따라 프로그램의 속도가 좌우됩니다. 결과적으로 같은 기능의 프로그램이더라도 메모리 관리에 따라 성능차이가 크게 나게됩니다.
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Method Area(메소드 영역)
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필드, 메서드, 인터페이스 정보
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정적변수 (static fields)
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애플리케이션이 시작될 때 메소드 영역에 클래스가 로드되고, 메모리는 종료 시까지 유지됩니다.
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Heap(힙)
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모든 객체와 배열이 할당되는 메모리 영역
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동적으로 생성되는 객체 및 배열
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Garbage Collection(GC)가 주로 동작하는 영역입니다.
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Stack(스택)
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메소드의 지역 변수, 파라미터, 반환 값, 중간 연산 결과 등을 저장
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지역 변수(Local Variables), 연산 스택(Operand Stack), 그리고 프레임 데이터가 포함
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PC Register(PC 레지스터)
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현재 실행 중인 JVM 명령어의 주소(PC, Program Counter)를 저장
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Native Method Stack(네이티브 메소드 스택)
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자바가 아닌 네이티브 언어(C나 C++)로 작성된 메소드가 실행될 때 사용하는 스택
Heap영역의 GarBage Collection의 동작 원리
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Mark 단계
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GC는 루트 객체부터 시작하여, 도달 할 수 있는 객체들을 찾고 표시해둡니다.
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객체를 탐색하면서 살아있는 객체에 대하여 Mark표시를 합니다.
루트객체
JVM 스레드 스택에 있는 지역 변수, 전역 변수, 메소드 호출 체인에서 참조되는 객체들입니다.
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Sweap 단계
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Mark단계에서 표시되지 않은 객체들은 더이상 참조하지 않는다고 판단하여 메모리에서 해제합니다.
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Sweap 사용하지 않는 객체드을 청소한다고 표시하여 Sweap이라고 합니다.
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Compaction 단계
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메모리 회수가 완료되면, 살아 있는 객체들을 앞으로 보내 메모리의 연속적인 빈 공간을 확보합니다.
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Stop-The-World 발생
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GC가 실행되면 애플리케이션의 모든 스레드가 일시적으로 중지되며, 이를 Stop-The-World 상태라고 합니다.
- MinorGC는 짧은 시간동안 작동하기 때문에 Stop-The-World 시간이 짧습니다.
- Major GC나 Full GC는 Old Generation의 객체를 처리하는 동안 시간이 오래 걸리기 때문에 Stop-The-World 시간이 더 길어집니다.
Generational GC의 동작
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Heap영역은 크게 Young Gereration과 Old Gereration으로 나눌수 있습니다. 이러한 구조는 GC의 성능을 최적화하는데 중요한 역할을 합니다.
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Young Gereration
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Eden 공간: 새롭게 생성된 객체가 처음으로 할당되는 공간입니다.
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Survivor 공간 (S0, S1): Eden 공간에서 살아남은 객체가 이동하는 공간입니다. S0과 S1은 두 개의 Survivor 공간으로 번갈아 사용됩니다.
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MinorGC : Young Gereration에서 가비지 컬렉션이 발생하는 경우입니다. GC가 자주 발생하며 객체가 빠르게 회수됩니다.
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Old Gereration
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Young Generation에서 살아남은 객체가 이동하는 영역입니다.
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Major GC(또는 Full GC): Old Generation에서 가비지 컬렉션이 발생하는 경우입니다. GC가 느리게 발생하며, 애플리케이션에 큰 영향을 줄 수 있습니다.
이를 해결하고자 가비지 컬렉션의 알고리즘을 계속 발전시켜 왔습니다.
가비지 컬렉션의 알고리즘
1. Serial GC
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Serial GC는 단일 스레드를 사용하여 GC를 처리합니다. Young Generation과 Old Generation에서 발생하는 GC를 모두 단일 스레드로 순차적으로 수행합니다.
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작은 힙 크기를 가진 애플리케이션에서 주로 사용됩니다.
동직순서
1.
Minor GC (Young Generation에서 수행):
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Mark: Young Generation(Eden 및 Survivor 영역)에서 루트 객체(root objects)로부터 접근 가능한 객체를 표시합니다.
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Copying: 살아남은 객체를 Survivor 영역으로 복사합니다.
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Sweep: Eden 영역의 나머지 객체(더 이상 참조되지 않는 객체)를 삭제하여 메모리를 회수합니다.
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Compaction: 필요하지 않습니다. 단순히 복사 후 Eden 영역을 비우기만 하면 됩니다.
2.
Major GC (Old Generation에서 수행):
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Mark: Old Generation에서 루트 객체로부터 접근 가능한 객체를 표시합니다.
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Sweep: 표시되지 않은 객체들을 제거하고 메모리를 회수합니다.
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Compaction: Major GC는 메모리 단편화를 방지하기 위해 객체들을 앞쪽으로 밀어내어 메모리 공간을 연속적으로 만듭니다.
3.
Stop-The-World: Serial GC는 GC를 처리하는 동안 애플리케이션 스레드를 멈춥니다. 모든 GC 작업이 단일 스레드에서 진행되기 때문에 Stop-The-World 시간이 길어질 수 있습니다.
실행 명령어
-XX:+UseSerialGC
JavaScript
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2. Parallel GC
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Parallel GC는 여러 스레드를 사용하여 Young Generation과 Old Generation의 GC 작업을 병렬로 처리합니다.
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멀티코어 CPU를 가진 환경에서 성능을 극대화하는데 적합하며, 서버 애플리케이션에 주로 사용됩니다.
동직순서
1.
Minor GC (Young Generation에서 수행):
•
Mark: 여러 스레드를 사용하여 Eden과 Survivor 영역에서 접근 가능한 객체를 표시합니다.
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Copying: 여러 스레드를 사용해 살아남은 객체를 Survivor 영역으로 병렬로 복사합니다.
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Sweep: Eden 영역에서 사용되지 않는 객체들을 제거합니다.
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Compaction: 필요하지 않음. 복사 후 Eden 영역을 비우기만 하면 됩니다.
2.
Major GC (Old Generation에서 수행):
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Mark: 여러 스레드를 사용해 Old Generation의 객체를 스캔하여, 접근 가능한 객체를 표시합니다.
•
Sweep: 병렬로 사용되지 않는 객체들을 제거합니다.
•
Compaction: Major GC는 메모리 단편화를 방지하기 위해 객체를 병렬로 메모리 앞부분으로 이동시킵니다.
3.
Stop-The-World: GC 작업을 병렬로 처리하므로, Stop-The-World 시간이 Serial GC보다 짧습니다. 하지만 여전히 애플리케이션의 모든 스레드가 멈춥니다.
실행명령어
-XX:+UseParallelGC
Java
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추가 옵션
•
Old Generation도 병렬로 처리
-XX:+UseParallelOldGC
Java
복사
3. CMS (Concurrent Mark-Sweep) GC
•
CMS GC는 애플리케이션과 동시에 GC를 수행하려는 목적을 가진 알고리즘으로, Old Generation에서의 Stop-The-World 시간을 최소화하는 데 중점을 둡니다.
•
Mark and Sweep 방식을 사용하여 Old Generation의 GC를 처리합니다.
•
단점은 메모리 단편화가 발생할 수 있다는 점입니다.
동작순서
1.
Initial Mark (Stop-The-World):
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루트 객체로부터 Old Generation에서 접근 가능한 객체들을 찾고 표시(mark)합니다.
•
이 단계는 빠르게 완료되며, Stop-The-World 상태가 발생합니다.
2.
Concurrent Mark (애플리케이션과 동시에):
•
루트 객체로부터 연결된 모든 객체를 스캔하여 살아 있는 객체들을 표시합니다.
•
이 단계는 애플리케이션 스레드와 동시에 수행되기 때문에 애플리케이션이 계속 실행될 수 있습니다.
3.
Remark (Stop-The-World):
•
Concurrent Mark 단계 동안 변경된 객체들을 다시 한 번 확인하여, GC에 반영되지 않은 객체들을 표시합니다.
•
이 단계는 Stop-The-World 상태에서 진행되지만, 짧게 완료됩니다.
4.
Concurrent Sweep (애플리케이션과 동시에):
•
Concurrent Mark와 Remark 단계에서 도달할 수 없는 객체를 동시에 제거하고 메모리를 회수합니다.
5.
Compaction 없음:
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CMS는 객체를 이동시키지 않기 때문에 메모리 단편화가 발생할 수 있습니다. 따라서 Compaction 단계가 없습니다.
•
만약 메모리 단편화가 심해지면, Full GC가 발생하여 Old Generation을 다시 압축하게 됩니다.
6.
Stop-The-World: CMS는 Stop-The-World 시간을 최소화하려고 설계되었지만, Initial Mark와 Remark 단계에서는 애플리케이션이 멈춥니다. 그 외에는 애플리케이션과 동시에 작업이 진행됩니다.
CMS GC는 JDK9 이후로는 사용되지 않으며 JDK14부터는 지원이 종료
CMS GC는 지연 시간을 줄이기 위한 중요한 GC 알고리즘이었지만, 메모리 단편화 문제와 유지보수 복잡성이 주요 단점이었습니다.
최신 GC 알고리즘인 G1 GC가 이러한 문제를 해결하면서 CMS는 점차 사용되지 않게 되었고, JDK 14에서 지원 종료되었습니다. G1 GC 외에도 ZGC와 Shenandoah GC와 같은 더욱 발전된 GC 알고리즘들이 CMS를 대체하여 더욱 효율적인 메모리 관리와 짧은 Stop-The-World 시간을 제공하고 있습니다.
실행명령어
-XX:+UseConcMarkSweepGC
Java
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추가 옵션
•
메모리 단편화 방지로 Full GC 강제 실행
-XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction
Java
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4. G1(Garbage First) GC
•
G1 GC는 세대별 구분 없이 힙을 여러 개의 고정된 크기의 영역(Region)으로 나누어 GC를 수행합니다.
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각 영역을 Young Generation 또는 Old Generation으로 다룰 수 있으며, 병렬로 GC를 처리합니다.
•
Stop-The-World 시간을 최소화하고, 대규모 애플리케이션에서 성능을 향상시키기 위해 설계된 최신 GC입니다.
1.
Initial Mark (Stop-The-World):
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루트 객체로부터 접근 가능한 Young Generation 및 Old Generation의 객체들을 표시(mark)합니다.
•
이 단계는 Stop-The-World 상태에서 빠르게 완료됩니다.
2.
Remark (Stop-The-World):
•
Concurrent Mark 동안 변경된 객체들을 다시 확인하여 도달할 수 없는 객체들을 표시합니다.
•
이 단계는 짧게 진행되며, Stop-The-World 상태에서 수행됩니다.
3.
Cleanup:
•
GC 작업에서 도달하지 못한 객체들을 제거하고, 메모리를 회수합니다.
•
이 작업은 동시에 진행되며, 애플리케이션에 미치는 영향을 최소화합니다.
4.
Copying (Compaction):
•
G1은 메모리 단편화를 방지하기 위해 Compaction을 적극적으로 사용합니다.
•
살아 있는 객체들을 새로운 영역으로 이동하여 압축한 후, 빈 공간을 확보합니다.
5.
Stop-The-World: G1 GC는 Minor GC와 Major GC를 구분하지 않고, 각각의 영역(Region) 단위로 GC를 수행하므로, Stop-The-World 시간이 짧습니다. 이 GC는 애플리케이션의 응답성을 중시하는 환경에서 특히 유용합니다.
실행명령어
-XX:+UseG1GC
Java
복사
추가 옵션
•
Max Pause Time 설정 (GC의 최대 일시정지 시간을 설정):
-XX:MaxGCPauseMillis=<밀리초>
Java
복사
5. ZGC
•
비압축형(Non-Compacting): ZGC는 메모리 압축을 수행하지 않고, 객체 재배치(Relocation)를 통해 메모리 단편화를 해결합니다.
•
병행(Concurrent): 대부분의 작업이 애플리케이션과 동시에 수행됩니다.
•
대규모 힙을 지원: ZGC는 대규모 메모리(TB 단위)를 처리할 수 있으며, 힙 크기에 관계없이 일시정지 시간을 10ms 이하로 유지합니다.
동작순서
1.
Initial Mark (Stop-The-World):
•
루트 객체로부터 도달할 수 있는 객체들을 빠르게 표시(mark)합니다.
•
이 단계는 매우 짧은 Stop-The-World 이벤트에서 수행됩니다.
2.
Concurrent Mark (애플리케이션과 동시에):
•
Initial Mark 후, ZGC는 루트 객체에서 연결된 모든 객체들을 추적하여 살아 있는 객체를 표시합니다.
•
이 작업은 애플리케이션과 동시에 수행되어 애플리케이션의 중단 없이 진행됩니다.
3.
Concurrent Prepare for Relocate (애플리케이션과 동시에):
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객체를 새로운 메모리 영역으로 재배치할 준비를 합니다. 이동할 객체들을 선택하여 어떤 메모리 영역으로 이동할지를 결정하는 단계입니다.
•
이 과정은 역시 애플리케이션과 병행으로 진행됩니다.
4.
Remark (Stop-The-World):
•
Concurrent Mark 단계에서 객체의 생존 상태가 변동된 경우, 다시 한번 정확하게 확인하는 작업입니다.
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이 단계 역시 매우 짧은 Stop-The-World 상태에서 수행됩니다.
5.
Concurrent Relocate (애플리케이션과 동시에):
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선택된 객체들을 새로운 메모리 영역으로 재배치하여 메모리 단편화를 방지합니다.
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이 작업 역시 애플리케이션과 동시에 진행되며, 압축을 수행하지 않기 때문에 빠르고 효율적입니다.
실행명령어
-XX:+UseZGC
Java
복사
정리
GC 알고리즘 | JVM 옵션 | 적용 상황 | Java 버전별 기본 GC |
Serial GC | -XX:+UseSerialGC | 작은 애플리케이션이나 리소스가 제한된 시스템. | Java 8 이하에서 기본 (단일 CPU 환경) |
Parallel GC | -XX:+UseParallelGC | 대규모 애플리케이션, 처리량을 극대화하고자 할 때. | Java 8(기본), Java 9~11 옵션 선택 |
CMS GC | -XX:+UseConcMarkSweepGC | 빠른 응답 시간과 낮은 지연 시간을 중요시하는 애플리케이션. (Deprecated) | Java 8~9 옵션 선택, Java 14 지원 종료 |
G1 GC | -XX:+UseG1GC | 대규모 힙을 사용하는 시스템에서 성능을 최적화할 때. | Java 9부터 기본 GC |
ZGC | -XX:+UseZGC | 매우 큰 힙을 사용하는 애플리케이션에서 짧은 Stop-The-World 시간을 필요로 할 때. | Java 11부터 옵션, Java 15부터 공식 사용 |
참고
