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Garbage Collection

stop-the-world

GC를 실행하기 위해 JVM이 어플리케이션 실행을 멈추는 것으로, GC를 실행하는 쓰레드를 제외한 나머지 쓰레드의 모든 작업을 중지한다.

  • GC를 튜닝하는 작업은 stop-the-world 시간을 줄이는 작업

Java는 프로그램 코드에서 메모리를 명시적으로 해제하지 않고, GC가 더 이상 필요없는 객체를 찾아 지우는 작업을 담당한다. GC는 두가지 전제조건을 가지고 있다. (Weak Generatinal Hypothesis)

  1. 대부분의 객체는 생성된 후 곧 unreachable 상태가 된다.
  2. 오래된 객체에서 젊은 객체로의 참조는 매우 적게 존재한다.

Weak Generational Hypothesis의 장점을 활용하기 위해 HotSpot VM에서는 크게 2개(Young/Old)로 물리적 공간을 나눈다

  • Young Generation Area

    새롭게 생성된 객체의 대부분이 위치하는 영역으로, 대부분의 객체가 금방 접근 불가능한 상태가 되기 때문에 Young 영역에서 많은 객체가 생성되었다가 사라진다. 객체가 소멸되는 과정을 Minor GC라고 한다.

  • Old Generation Area

    Young 영역에서 살아남은 객체가 복사되는 영역으로 대게 Young 영역보다 크게 할당하며 GC는 적게 발생한다. Old 영역에서 객체가 소멸되는 과정을 Major GC라고 한다.

Card Table

Old 영역의 객체가 Young 영역의 객체를 참조하는 경우 정보가 표시되는 곳으로 Minor GC를 실행할 때에는 Old 영역의 모든 객체의 참조를 확인하지 않고, Card Table만 확인하여 GC 대상인지 식별한다.

Young Generation Area 구성

Young 영역은 3개의 영역으로 구성된다.

  • Eden 영역
  • Survivor 영역 (2개)

각 영역의 처리 절차는 다음과 같다.

  1. 새로 생성된 객체는 Eden 영역에 위치한다.
  2. Eden 영역에서 GC가 한 번 발생한 후 살아남은 객체는 Survivor 영역 중 하나로 이동한다.
  3. Eden 영역에서 GC가 발생하여 살아남은 객체는 이전에 살아남은 객체가 존재하는 Survirvor 영역으로 이동한다.
  4. 하나의 Survivor 영역이 가득 차게 되면 그 중 살아남은 객체를 비어있는 Survivor 영역으로 이동시킨다. 가득 차있던 Survivor 영역은 비어있는 상태가 된다.
  5. 1 - 4 과정을 반복하여 살아남은 객체는 Old 영역으로 이동된다.

이 때, Survivor 영역 중 하나는 반드시 비어 있는 상태로 남아 있어야 한다. 그렇지 않다면 비정상적인 상황이라고 인식하면 된다.

참고

HotSpot JVM에서는 보다 빠른 메모리 할당을 위해 bump-the-pointer / Thread-Local Allocation Buffers 라는 기술을 사용한다.

Old Generation Area GC

Old 영역은 기본적으로 데이터가 가득 차면 GC를 실핸한다. JDK 7 기준으로 GC 방식은 5가지가 존재한다.

  • Serial GC
  • Parallel GC
  • Parallel Old GC
  • Concurrent Mark & Sweep GC (CMS)
  • G1(Garbage First) GC

  • Serial GC (-XX:+UseSerialGC) Young 영역에서의 GC는 위에서 설명한 방식을 사용한다. Old 영역의 GC는 mark-sweep-compact 알고리즘을 사용한다.

    • mark-sweep-compact
      1. Old 영역에 살아있는 객체를 식별한다. (Mark)
      2. heap의 앞 부분부터 확인하여 살아있는 객체만 남긴다.(Sweep)
      3. 각 객체들이 연속되게 쌓이도록 힙의 가장 앞 부분부터 채워서 객체가 존재하는 부분과 객체가 없는 부분으로 나눈다. (Compaction)

    Serial GC는 CPU Core가 1개만 있을 때 사용하기 위한 방법으로 어플리케이션의 성능을 위해 사용하면 안된다.

  • Parallel GC(-XX:+UseParallelGC) Serial GC와 기본적인 알고리즘은 같지만 Parallel GC는 GC를 처리하는 쓰레드가 여러 개이다. 메모리가 충분하고 코어의 개수가 많을 떄 유리하다.
  • Parallel Old GC(-XX:+UseParallelOldGC) JDK 5부터 제공한 GC 방식으로 Parallel GC와 다르게 Old 영역의 GC 알고리즘으로 Mark-Summary-Compaction 사용한다.

  • CMS GC(-XX:+UseConcMarkSweepGC)

    1. Initial Mark : 클래스 로더에서 가장 가까운 객체 중 살아있는 객체만 찾는다. => 중단 시간이 매우 짧음
    2. Concurrent Mark : Initial Mark에서 살아있는 객체에서 참조하고 있는 객체들을 따라가며 확인
    3. Remark : Concurrent Mark에서 새로 추가되거나 참조가 끊긴 객체를 확인
    4. Concurrent Sweep : 더이상 접근 불가능한 객체 제거

    이 중, Concurrent Mark/Concurrent Sweep 과정은 다른 스레드가 실행 중인 상태에서 동시에 진행된다. 따라서 stop-the-world 시간이 매우 짧고, 모든 어플리케이션의 응답 속도가 중요한 경우 CMS GC를 사용한다.

    하지만, 다른 GC 방식보다 메모리나 CPU를 많이 사용하며, Compaction 단계를 제공하지 않는다는 단점이 존재하기 때문에 검토 후 사용해야 한다.

  • G1 GC

    자바 heap 공간을 고정된 크기의 region으로 나누고 free한 region들의 리스트 형태로 관리한다. 메모리 공간이 필요해지면 free region를 young 영역나 old 영역로 할당한다. 이 때, region의 크기는 1MB 에서 32MB로 전체 heap 사이즈 용량이 2048개의 region으로 나누어 질 수 있도록 하는 범위 내에서 결정된다. region이 비어지면 이 region은 다시 free region 리스트로 돌아간다.

    G1 GC의 기본 원리는 자바 heap의 메모리를 회수할때 최대한 살아 있는 객체가 적게 들어 있는 region을 수집하는 것이다.

    G1 GC는 기본적인 GC의 동작 방식이 위에서 설명한 Young/Old과 비슷하지만 영역의 개념이 물리적으로 존재하지 않고 논리적으로만 존재함으로써 메모리 공간과 GC에 걸리는 시간을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

참고자료