Garbage Collection

Q. Garbage Collection에 대해 아시는데로 말씀해주세요.

프로그래밍에서 객체나 변수를 생성하면, 이들은 메모리를 점유하게 됩니다. 하지만 더 이상 사용되지 않거나 참조되지 않는 객체가 남아 있다면, 그들이 차지하는 메모리는 비효율적으로 낭비됩니다. 이러한 메모리 누수를 방지하기 위해 Garbage Collection이 필요합니다.

Garbage Collection은 프로그래밍에서 더 이상 사용되지 않는 메모리를 자동으로 회수하는 메모리 관리 기법입니다. 주요 방식에는 참조가 0인 객체를 회수하는 참조 카운팅(Reference Counting), 사용 중인 객체를 마크하고 나머지를 회수하는 마크 앤 스위프(Mark and Sweep), 활성 객체를 다른 메모리 영역으로 복사하는 복사 수집(Copying Collection)이 있습니다. 이를 통해 메모리 누수를 방지하고 메모리 관리를 자동화하여 개발자의 부담을 줄여줍니다.

Q. 마크 앤 스위프에 대해 조금 더 자세히 설명해주세요.

마크 앤 스위프는 마크(Mark) 단계와 스위프(Sweep) 단계가 있습니다.

Mark 단계는 프로그램이 사용하는 모든 객체를 탐색하고, 사용 중인 객체에 "마크"를 표시합니다. 이 과정에서 참조 그래프를 따라가며 접근 가능한 객체들을 식별합니다.

Sweep 단계는 마크되지 않은 객체는 더 이상 참조되지 않거나 사용되지 않는 것으로 간주됩니다. 이 객체들의 메모리를 해제하여, 프로그램이 다른 목적으로 사용할 수 있도록 합니다.

이 방식의 장점은 순환 참조 문제를 해결할 수 있다는 것입니다. 왜냐하면 사용 중인 객체만을 식별하여 회수 대상에서 제외하기 때문입니다. 그러나 Mark 단계에서 모든 객체를 탐색해야 하므로 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

Q. 그렇다면 자바에서는 어떻게 동작하나요?

자바(Java)에서는 Garbage Collection이 자동으로 수행되며, 메모리 관리의 핵심 요소로 작동합니다. 자바 프로그램에서 객체를 생성하면, 그 객체는 힙(Heap) 메모리에 저장되며, 더 이상 사용되지 않거나 참조되지 않는 객체는 Garbage Collector에 의해 자동으로 회수됩니다.

자바의 가비지 콜렉션 종류 중 Major GC, Full GC의 경우 앞서 설명한 마크 앤 스위프 방식으로 메모리에서 사용 중인 객체를 탐색하여 마크한 후, 사용되지 않는 객체를 회수합니다.

Q. 힙 메모리는 어떻게 구성되어 있나요?

힙 메모리는 Young Generation, Old Generation, Permanent Generation으로 나눕니다.

• Young Generation: 새로 생성된 객체가 할당되며, 주로 짧은 생명 주기를 가집니다. 여기에서 살아남은 객체는 Old Generation으로 이동합니다.

• Old Generation: Young Generation에서 살아남은 객체들이 오래 사용되는 객체로 간주되며, 여기로 이동합니다.

• Permanent Generation: 클래스와 메서드 메타데이터가 저장됩니다(현재는 메타스페이스로 대체됨)

Q. Java의 Minor GC와 Major GC 무엇인가요?

Java의 모든 객체는 처음에는 Young Generation에 생성되게 됩니다.

Young Generation의 공간은 Old Generation에 비해 상대적을 작기 때문에 메모리 상의 객체를 찾아 제거하는 데 적은 시간이 걸리고, 여기서 발생되는 GC를 Minor GC라고 불립니다.

그다음 오래 살아남은 객체는 Old Generation으로 이동되며, 이 공간이 가득차면 발생되는 GC가 Major GC입니다. 앞서 설명대로 Old Generation은 Young Generation에 비해 상대적으로 큰 공간을 가지고 있어, 이 공간에서 GC는 Thread가 멈추고 Mark and Sweep 작업으로 CPU에 부하를 주기 때문에, 프로그램이 멈추는 'Stop-the-World' 현상이 발생할 수 있습니다.

Java는 이러한 문제를 해결하기 위해 여러 가비지 컬렉션 방식을 개발하였습니다.

Q. 자바의 가비지 콜렉션 방식은 무엇이 있나요?

첫번째 Serial GC는 서버의 CPU 코어가 1개일 때 사용하기 위해 개발된 GC로 GC를 처리하는 쓰레드가 1개이기 때문에 가장 Stop-the-World 시간이 깁니다.

두번째 Parallel GC는 Java 8 버전의 디폴트 GC로 Serial GC와 기본적인 알고리즘은 같지만, Young 영역의 Minor GC를 멀티 쓰레드로 수행하게 되어 Serial GC에 비해 Stop-the-World 시간을 감소하였습니다.

세번째 Parallel Old GC는 앞서 Parallel GC에서 Old 영역에서도 멀티 쓰레드로 GC를 수행하도록 개선한 버전입니다. 새로운 가비지 컬렉션 청소 방식은 Mark-Summary-Compact 방식을 사용하였습니다.

네번째 G1 GC(Garbage First)는 Java 9+ 버전의 디폴트 GC로, 기존의 GC 알고리즘에서는 고정된 Heap 영역을 나누었지만 G1 GC는 Region이라는 영역으로 체스같이 분할하여 상황에 따라 동적으로 역할을 부여하는 새로운 방식을 사용했습니다. Garbage로 가득찬 영역을 빠르게 회수하여 빈 공간을 확보하므로, 결국 GC 빈도가 줄어드는 효과를 얻게 되는 원리입니다. 이러한 Region의 개념으로 Shenandoah GC, ZGC등이 계속해서 개발되었습니다.