기술 면접 준비 2. 가비지 컬렉션(Garbage Collection)

예상 질문. 가비지 콜렉터란? 필요한 이유와 동작 방식

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Garbage Collection(가비지 컬렉션, GC)이란?

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메모리 기법 중의 하나로, 프로그램이 동적으로 할당했던 메모리 영역 중에서 필요없게 된 영역을 해제하는 기능이다.

C언어나 C++ 같은 언어는 수동으로 메모리를 관리하도록 설계된 반면, Java와 C#과 같은 언어에서는 가비지 컬렉션을 통해 자동으로 메모리를 관리할 수 있도록 한다. 예를 들어, C언어를 사용할 경우 필요한 메모리 공간을 라이브러리를 통해 운영체제로부터 할당받아 사용하다가 다 쓰면 다시 해제해서 운영체제로 반환해야한다. 만약 개발자가 메모리 관리를 하지 않는다면 프로세스가 점점 커지다가 운영체제에 의해 시그널을 맞고 죽게된다. 메모리를 해제하지 않아서 생기는 버그 '메모리 릭(Memory Leak)'이 발생하는 것이다. 

 

반면, 자바는 가비지 컬렉션을 통해 메모리를 자동으로 관리해준다. 자바 프로그래머는 직접 메모리 공간의 할당과 반환을 수행하는 대신 JVM을 통해 메모리를 할당 받는다. 더 이상 사용되지 않는 메모리는 JVM이 알아서 회수한 다음 해제해준다. JVM의 이러한 메모리 해제 동작을 '가비지 컬렉션(Garbage Collection)'이라고 한다. (JVM의 실행 엔진에 Garbage Collector를 포함하고 있다)

 

다시 말해 가비지 컬렉션(Garbage Collection, GC)란 자바의 메모리 관리 방법 중의 하나로 JVM의 Heap 영역에서 동적으로 할당했던 메모리 중 필요없게 된 메모리 객체(garbage)를 모아 주기적으로 제거하는 프로세스를 말한다. 그리고 이러한 가비지 컬렉션을 수행하는 주체를 가비지 컬렉터(Garbage Collector)라고 한다. 

 

JVM 관련 자료 :

기술 면접 준비 1. Java 언어의 특징 (+JVM과 자바의 컴파일 방식, JRE vs JDK)

 

가비지(Garbage)란?

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Heap 영역의 객체 중 Stack에서 도달 불가능한(Unrecheable) 객체들은 가비지 컬렉션의 대상이 된다. 

 

Product product = new Product("TV");

sellTo(product);

product = null;

Person person = new Person("Dave");
person.sayHello();

person = new Person("Eric");
person.sayHello();

 

위의 두 개의 코드의 첫 줄에서 new Product("TV")와 new Person("Dave")는 메모리 어딘가(Heap 영역)에 할당되었을 것이다. 그리고 해당 메모리 영역을 가리키던 product는 null이 되고, person은 새로운 객체를 참조한다. 이럴 때 이전에 참조되었던 new Product("TV")와 new Person("Dave") 객체는 어떠한 경로로도 참조되지 않는 "Unreachable 상태"가 된다. 이러한 상태가 된 객체는 가비지로 판단되어 회수당하게 된다. 

 

Stop-the-world (STW)
가비지 컬렉터가 가비지들을 회수하는 동작이 별도의 스레드에서 조용히 수행되면 큰 문제가 없다. 그러나 가비지 컬렉터는 종종 가비지들의 메모리 공간을 회수하기 위해 자바 애플리케이션의 실행을 멈춘다. 이러한 동작은 'Stop-the-world'라고 한다. 대부분 JVM에서 GC 튜닝이라고 하면 이 Stop-the-world 시간을 줄이는 것을 의미한다. 

 

가비지 컬렉션(Garbage Collection) 동작 방식

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Mark and Sweep

• Mark : 먼저 Root Space로부터 그래프 순회를 통해 연결된 객체들을 찾아내어 각각 어떤 객체를 참조하고 있는지 찾아서 마킹한다. 
• Sweep : 참조하고 있지 않는 객체 즉 Unreachable 객체들을 Heap에서 제거한다.
• Compact : Sweep 후 분산된 객체들을 Heap의 시작 주소로 모아 메모리가 할당된 부분과 그렇지 않은 부분으로 압축한다. (가비지 컬렉터의 종류에 따라 진행하지 않는 경우도 있음) 

 

가비지 컬렉션(Garbage Collection) 동작 과정

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JVM의 Heap 영역은 처음 설계될 때 2가지를 전제(Weak Generational Hypothesis)로 설계되었다. 

1. 대부분의 객체는 금방 접근 불가능한 상태(Unreachable)가 된다. 
2. 오래된 객체에서 새로운 객체로의 참조는 아주 적게 존재한다. 

이는 대부분의 객체는 일회성이며, 메모리에 오랫동안 남아있는 경우는 드믈다는 의미이다. 따라서 JVM 메모리는 객체의 생존 기간에 따라 물리적인 Heap 영역을 Young, Old 2가지 영역으로 나누게 되었다. Young 영역은 다시 'Eden' 영역과 두 군데의 Survivor 영역(S0, S1)으로 나누어 관리한다. 

 

Young 영역(Young Generation) 

새롭게 생성된 객체가 할당(Allocation)되는 영역이며 Young Generation 영역에서 발생하는 GC를 Minor GC라고 부른다. 

대부분의 객체가 금방 Unreachacble 상태가 되기 때문에, 많은 객체가 Young 영역에 생성되었다가 사라진다. 

Young 영역은 다시 Eden 영역과 두 군데의 Survivor 영역(S0, S1)으로 나누어 관리한다.

Minor GC는 상대적으로 빈번하게 발생하지만 짧게 끝난다. 가비지 컬렉션의 동작인 Old Generation까지 스캔해서 가비지를 찾지 않도록해서 더욱 짧은 Stop-the-world 시간 안에 메모리를 회수할 수 있도록 한다.  

Old 영역(Old Generation)

Young 영역에서 Reachable 상태를 유지하여 살아남은 객체가 복사되는 영역으로 Young Generation 영역에서 Old Generation 영역으로 객체가 이동하는 것을 'Promotion'이라고 한다. 

Young 보다 크게 할당되며, 영역의 크기가 큰 만큼 가비지는 적게 발생한다. 

Old 영역에 대한 가비지 컬렉션을 Major GC라고 부른다. 

 

출처 : https://www.oracle.com/webfolder/technetwork/tutorials/obe/java/gc01/index.html

 

Garbage Collection 동작 과정

앞에서 Young Generation 영역에서 Old Generation 영역으로 객체가 이동하는 행위를 'Promotion'이라고 했다. Promotion의 과정은 다음과 같다. 

1. 우선 새로 생성된 객체들은 Eden 영역에 생성된다. 
2. 객체의 생성이 계속되면 Eden 영역이 가득찬다.
3. 그러면 Minor GC가 발생해서 Eden 영역에 있는 가비지들의 메모리 공간을 회수한다.
   1. Mark 동작을 통해 Eden 영역의 reachable 객체를 탐색한다. 
   2. Eden 영역에서 사용되지 않는 객체(unreachable)의 메모리를 해제한다. (Sweep)
4. Eden에서 살아남은 객체들은 두 개의 survivor 영역(S0, S1) 중 하나로 옮겨진다. S0를 사용하겠다고 한다. 옮겨진 객체에는 age 값이 매겨진다. 
5. 몇 번의 Minor GC가 발생하면서 살아남은 Eden 객체들이 S0 영역으로 채워지다 보면, 결국 S0 영역도 가득찬다. 이 때, S0 영역에 있는 객체에 대해서도 가비지 여부를 판단해 회수할 수 있으면 회수한다. (Minor GC)
6. S0 영역에 있는 객체들 중 살아남은 객체는 또 다른 survivor 영역인 S1으로 옮겨진다. 그러면서 Age 값이 1 증가한다. S0 영역은 비워져있는 채로 놔둔다. 
7. 계속 살아남은 객체들은 S0와 S1을 오가면서 age값이 올라간다. 그러다 일정 수준 이상으로 age가 올라가면 객체는 Old Generation 영역으로 옮긴다. (promotion)
8. Old Generation 영역의 미사용 객체는 Full GC(Major GC)를 통해 메모리를 해제한다. 
   • Major GC는 Old 영역에 데이터가 가득차면 GC를 실행하는 단순한 방식이다. 
   • Old 영역에 할당된 메모리가 허용치를 넘게 되면, Old 영역에 있는 모든 객체들을 검사하여 참조되지 않는 객체들을 한꺼번에 삭제하는 방식
   • 하지만 Old Generation은 Young Generation에 비해 상대적으로 큰 공간을 가지고 있어, 이 공간에서 메모리 상의 객체 제거에 많은 시간이 걸리게 된다. 

 

 

예상 질문 답하기

Q. 가비지 콜렉터란? 필요한 이유와 동작 방식

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가비지 콜렉터란 가비지 컬렉션을 수행하는 주체입니다. 여기서 가비지 컬렉션이란 자바의 메모리 관리 방법 중 하나로 JVM의 Heap 영역에 동적으로 할당했던 메모리 중 더이상 필요로 하지 않는 메모리 객체를 주기적으로 모아 제거하는 프로세스입니다. 가비지 콜렉터가 없는 언어로 C언어가 있는데, C언어의 경우, 프로그래머가 직접 운영체제로부터 메모리를 할당 받고 더이상 사용하지 않는 메모리는 반환함으로써 메로리를 관리해주어야 합니다. 만약 관리를 하지 않아 메모리가 계속 쌓이게 되면 프로세스가 계속 커져 운영체제로부터 시그널을 받아 죽게 되는 현상이 발생합니다. 

동작 방식은 Heap 영역의 Young Generation 영역과 Old Generation 영역에 따라 약간 다릅니다. 먼저 객체가 생성되면 Young Generation의 Eden 영역에 할당됩니다. 그리고 Eden 영역이 가득 차면 Minor GC가 발생합니다. Minor GC는 Mark and Sweep 방식으로 사용되지 않는 메모리를 식별해 해제하는 작업을 진행합니다. Minor GC에서 살아남은 객체들에 age를 부여합니다. Minor GC에서 살아남은 객체는 S0 혹은 S1 영역에 할당되고 S0, S1을 오가면서 age가 올라갑니다. 일정 age 이상이 되면 OId Generation 영역으로 이동할지 결정합니다. Old Generation 영역이 가득차면 Major GC가 일어나 가비지를 처리합니다. 

 

참고자료

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[Java] 자바 가비지 컬렉션 기초(Garbage Collection Basic)

 

[Java] 가비지 컬렉터 이번에 끝내자!!!!!!!!!!!!

 

[Java] Garbage Collection(가비지 컬렉션)의 개념 및 동작 원리 (1/2)

 

☕ 가비지 컬렉션 동작 원리 & GC 종류 💯 총정리

 

[Java] GC(Garbage Collection) 이해하기