Garbage Collection

안녕하세요 이번에는 [Garbage Collection]에 대해 알아보겠습니다.

Garbage collection 이란 ?

Garbage collection이란 쓰레기 수거라는 뜻으로 자바에서 자동으로 메모리 관리를 해주는 알고리즘입니다. 쓰레기란 더 이상 사용되지 않는 객체를 뜻하며 이러한 객체들은 메모리에서 해제되어야 합니다. GC는 더 이상 사용되지 않는 불필요한 객체들을 정리해주는 작업을 합니다.

GC의 원리

GC 작업을 하는 가비지 콜렉터는 3가지 역할을 담당합니다.

• 메모리 할당
• 사용 중인 메모리 인식
• 사용하지 않는 메모리 인식

가비지 컬렉터가 객체를 할당하는 영역을 힙 영역이라고 합니다. GC는 이 힙 영역에서 일어나는데 힙 영역에 대해 자세히 알아보겠습니다.

힙 영역은 Young, Old, Perm 영역으로 나뉩니다. Perm 영역은 자바 8부터는 사라지는 영역이므로 Young, Old 영역에 대해 알아보겠습니다.

• Young 영역
  • Young 영역은 Eden 영역과 2개의 Survivor 영역으로 나뉩니다.
  • 객체가 처음 생성되면 Eden 영역에 할당됩니다.
  • Eden 영역에 데이터가 가득 차면 GC가 발생되어 참조되지 않는 객체들이 삭제되고 살아남은 객체들은 Survivor 영역으로 이동합니다.
  • Young 영역에서 발생하는 GC를 Minor GC라고 부릅니다.
• Old 영역
  • 접근 불가능 상태로 되지 않아 Young 영역에서 살아남은 객체들이 복사되는 영역입니다.
  • 대부분 Young 영역보다 크게 할당되며 Eden 영역에서 크기가 큰 객체들은 Survior 영역으로 이동하지 않고 바로 Old 영역으로 이동합니다.
  • Old 영역에서 발생하는 GC를 Major GC라고 부릅니다.

GC가 일어나는 동안에는 모든 애플리케이션이 멈추게 되는데 이것을 'stop-the-world'라고 부릅니다.

5가지 GC 방식

Serial GC

Serial GC는 Young 영역과 Old 영역이 연속적으로 일어납니다. Old 영역의 GC는 mark-sweep-compact 알고리즘을 사용하는데 이 알고리즘은 3 단계로 수행됩니다.

• Old 영역에 있는 객체 중에 살아 있는 객체를 식별합니다. (Mark)
• Old 영역에서 살아 있는 객체를 제외한 쓰레기 객체를 제거합니다. (Sweep)
• 필요 없는 객체를 지운 빈 공간을 없애기 위해 객체를 한 곳에 모읍니다. (compact)

Serial CG는 하나의 CPU만 사용하기 때문에 성능이 많이 떨어져 운영 서버에서는 잘 사용하지 않는 방식입니다.

Parallel GC

Parallel GC는 CPU의 대기시간을 최소화하는 것을 목표로 하고 있습니다.

그래서 Serial GC와는 다르게 Minor GC를 할 때 여러 개의 스레드로 병렬로 처리를 합니다.
Major GC는 Serial GC와 같은 mark-sweep-compact 알고리즘을 사용합니다.

Parallel Compacting GC

Parallel Compactiong GC은 Major GC를 할 때 mark-summary-compaction이라는 새로운 알고리즘을 사용합니다.

• 살아 있는 객체를 식별하여 표시하는 단계입니다. (mark)
• 이전 GC의 컴팩션된 영역에 살아있는 객체를 조사합니다. (summary)
• 객체를 한 곳에 모으는 컴팩션을 수행합니다. (compact)

Parallel compacting GC와 Parallel GC의 차이점은 두 번째 단계인 sweep과 summary의 차이입니다. sweep은 단일 스레드로 처리되고 summary는 여러 스레드가 Old 영역을 분리하여 살아있는 객체를 조사합니다.

CMS GC

CMS GC는 low-latency collector로도 알려져 있고, 힙 메모리 영역의 크기가 클 때 적합합니다. CMS는 Major GC를 수행할 때 mark-sweep-comapct 보다 복잡한 알고리즘을 사용합니다.

• 힙 내의 모든 GC 루트 객체를 찾습니다. 이때 짧게 STW가 일어납니다. (initial mark)
• 앞서 확인한 GC 루트 객체가 참조하고 있는 객체들을 따라가면서 확인합니다. 이때는 다른 스레드가 실행 중인 상태에서 동시에 진행됩니다. (concurrent mark)
• concurrent mark 단계에서 새로 추가되거나 참조가 끊긴 객체를 확인합니다. (remark)
• 마지막으로 쓰레기를 정리하는 작업을 실행합니다. 이 작업도 다른 스레드가 실행되고 있는 상황에서 진행합니다. (concurrent sweep)

CMS GC는 STW 시간이 짧은 장점이 있지만 단점으로 동시에 스레드를 진행하기 때문에 CPU를 많이 사용하고 compaction 단계가 없습니다.

G1 GC

앞서 살펴본 GC들은 주소가 물리적으로 linear하게 나열되지만 G1은 그렇지 않고 바둑판 모양처럼 되어 있습니다. 이 바둑판 모양의 각 영역을 region이라 부릅니다.

G1에서는 region이 각각 eden, survior, old의 역할을 변경해가면서 수행합니다.

minor GC

• 몇 개의 region을 선정하여 young 영역으로 지정합니다.
• young 영역으로 선정한 region에 객체가 쌓이고 데이터가 꽉 차면 GC를 수행합니다.
• GC를 수행하면서 살아있는 객체들만 survivor 영역으로 이동합니다.
• 몇 번의 작업 후에도 survivor 영역에서 살아남은 객체들은 old 영역으로 이동합니다.

major GC

• old 영역에 있는 객체에서 survivor 영역의 객체를 참조하고 있는 객체를 표시합니다. (initial mark)
• old 영역 참조를 위해서 survivor 영역을 스캔합니다. (root region scanning)
• 전체 힙 영역에 살아있는 객체를 찾습니다. 이때 region 별 살아 있는 객체의 비율을 계산합니다. (concurrent mark)
• 전체 region들의 살아있는 객체의 비율이 계산됩니다. (remark)
• 살아있는 비율이 낮은 region을 청소합니다. (cleanup)
• region에서 살아남은 객체들을 새로운 region(비어 있는)에 복사하여 compaction 작업을 수행합니다. (copy)

참조

개발자가 반드시 알아야 할 자바 성능 튜닝 이야기
자바 성능 튜닝 자바 성능 향상을 위한 완벽 가이드
https://d2.naver.com/helloworld/1329