🖌️ GC(Garbage Collection) - 쓰레기통 파해치기

GC(Garbage Collection)는 Java에서 자동으로 메모리를 관리해 주는 메커니즘이다. 프로그래머가 메모리를 관리하지 않아도 사용되지 않는 객체(Garbage)를 JVM이 알아서 제거하기 때문에 메모리 누수를 사전에 방지할 수 있고 애플리케이션이 안정적으로 동작하도록 해준다.

📍 GC의 동작 방식

Java에서 객체가 생성되면, Heap Memory Area에 할당된다. 하지만 객체가 생성된 뒤로 메모리 관리를 해주지 않게 되면 애플리케이션에 문제가 발생 할 수 있다. 그리고 만약 이 작업을 개발자가 하게 된다면 매우 번거로운 작업이 된다. 

 

하지만 GC(Garbage Collection)는 이 작업을 대신 해준다. GC(Garbage Collection)는 참조되지 않는 객체들을 자동으로 탐지하여 제거해준다.

 

자바 개발자라면 크게 신경 쓰지 않았을 것이다. GC(Garbage Collector)가 뒤에서 열심히 객체 메모리 관리 작업을 해주고 있다는 것만 알아두자( 가끔 모니터를 보고 GC야 고마워라고 작게 말하는 것도 좋을 것 같다.)

 

 GC(Garbage Collection)의 단계

📍 Mark

Mark 단계는 GC가 Heap Memory에서 어떤 객체가 여전히 사용 중인지 확인하는 단계

📍 Sweep

마크되지 않은(미사용 객체) 객체들을 실제로 메모리에서 제거하는 과정이다. 미사용 객체를 제거해서 메모리 공간을 확보한다.

📍 Compact

GC가 수행하는 최적화 작업 중 하나, 메모리 단편화 방지를 위해 살아있는 객체들은 Heap Memory 한쪽으로 이동시켜 연속된 메모리 공간을 확보한다. 파편화된 메모리를 한 곳에 모아 최적화된 메모리를 제공할 수 있다.

📍 Evacaution

Evacuation 단계는 Generational GC에서 주로 사용되며, Young Generation에서 Old Generation으로 객체를 이동시키는 과정이다. 

젊은 객체들은 Young Generation에서 빠르게 수거되지만, 오랫동안 살아남은 객체들은 Old Generation으로 이동되어 장기적으로 관리된다. 

이 작업으로 인해 Old Generation이 Young Generation 자리를 불필요하게 점유하는 것을 방지할 수 있다.

📍 Concurrent

Concurrent 단계는 ZGC, Shenandoah, CMS와 같은 GC에서 사용되며, 대부분의 작업을 애플리케이션과 동시에 수행하는 단계이다.

해당 단계는 애플리케이션 실행과 GC 작업을 병렬로 진행하여 Stop-the-World 시간을 최소화

 

실제로 GC가 어떻게 동작하는지 한번 예제를 보자 

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class EX_GC {
    public static void main(String[] args) {
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            list.add(new Object()); // 객체를 계속 생성하여 메모리를 채움
            if (i % 10000 == 0) {
                list.clear(); // 일정 주기마다 리스트를 비워서 GC 대상 객체로 만듦
            }
        }
       
    }
}

우선 EX_GC라는 파일을 생성했다. 위 코드를 보면 객체가 무분별하게 생성된다. GC를 실행시키기 위한 임의의 코드이다.

javac EX_GC.java

우선 텍스트 파일을 컴파일한다.

java -Xms16M -Xmx16M '-Xlog:gc*:file=gc.log:time' EX_GC

 

이제 힙 메모리 공간을 설정하고 GC 로그를 활성화한 다음 Java를 실행시키면 GC가 동작하는 걸 볼 수 있다.

 

 

GC가 동작하면 위 그림처럼 로그가 발생한다. 만약에 메모리가 부족해서 java 실행이 실패하면 로그에

이런 식으로 로그가 남을 것이다. 이제 로그를 몇 개만 까보자 

Heap region size: 1M

• 힙 메모리는 1MB 크기의 여러 영역(region)으로 나뉘어 관리되고 있다.

Using G1

• JVM이 G1 GC를 사용하고 있음을 나타낸다.

Heap address, size: 16MB

• 힙 메모리의 주소와 크기 정보이다.

GC(0) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause)

• 이 로그는 첫 번째 GC 이벤트를 의미한다.

GC(0) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 7M->0M(16M) 0.520ms

• 첫 번째 GC 후, 힙 메모리 사용량이 7MB에서 0MB로 줄어들었고, 전체 힙 크기는 16MB이다. GC 이벤트는 0.520ms의 짧은 시간 동안 발생했다.

Heap

GC 후 힙 메모리 상태를 보여줍니다. 총 16MB의 힙에서 현재 1.772MB가 사용 중이며, GC 후 Eden 영역에서 살아남은 객체가 3개의 Young 영역에 위치해 있습니다.

(로그는 하나하나 설명하면 루즈해질 것 같아서 몇 개 빼곤 생략했다. 모르는 게 있으면 얼마든지 댓글로 남겨주시면 감사하겠습니다.)

 

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이제 GC의 기본적인 동작은 모두 봤으니 GC의 종류를 한번 보자 (이번글의 핵심이기도 하다)

 

📍 GC의 종류

Java에서는 다양한 GC 알고리즘이 제공되며, 각 알고리즘은 서로 다른 성능 특성과 목적을 가지고 있다.

 

1. Serial GC

Java 1.2에 도입되었고 단일 스레드로 GC를 처리한다.

작은 애플리케이션에서 적합하며, Stop-the-World 시간이 길 수 있다.

-XX:+UseSerialGC 옵션으로 사용.

 

2. Parallel GC

Java 1.4에 도입되었고  여러 스레드로 동시에 GC를 처리하여 병렬로 수행된다.

대규모 애플리케이션에서 힙 메모리 관리에 효과적이다.

-XX:+UseParallelGC 옵션으로 사용.

 

3. CMS (Concurrent Mark-Sweep) GC

Java 1.5에 도입되었고응답 시간이 중요한 애플리케이션에서 사용됩니다.

마킹과 스윕 단계를 애플리케이션과 병렬로 수행하여 Stop-the-World 시간을 줄입니다.

-XX:+UseConcMarkSweepGC 옵션으로 사용.

 

4. G1 GC (Garbage First)

Java 1.7부터 시범운영을 하고 Java 9부터 기본 GC로 사용되며, 대규모 애플리케이션에서 성능을 최적화하기 위해 설계되었습니다.

힙 메모리를 여러 개의 작은 영역으로 나누고, 우선적으로 가비지가 많은 영역을 먼저 정리합니다.

-XX:+UseG1 GC 옵션으로 사용.

 

5. ZGC (Z Garbage Collector)

Java 11에 도입된 최신 GC로, 대용량 힙에서도 매우 짧은 Stop-the-World 시간을 보장한다(10ms 이하).

초대형 메모리 시스템을 위해 설계되었으며, 거의 실시간에 가까운 GC 처리가 가능하다.

하지만 ZGC는 기본 GC가 아니고 시범운영만 했지만 java 15부터는 기본 기능으로 사용이 가능하다.

• 작업 병렬화: 대부분의 GC 작업을 애플리케이션과 병렬로 수행한다. Stop-the-World 시간이 매우 짧고, 큰 힙 메모리에서도 10ms 이하의 지연 시간을 유지할 수 있다.

• 컬러드 포인터(Colored Pointers): ZGC는 “컬러드 포인터”라는 기술을 사용해 객체 참조를 추적하고, 객체가 이동할 때도 애플리케이션이 중단되지 않도록 한다. 이로 인해 매우 빠른 GC 작업이 가능하다.

• 대용량 힙에 적합: 수백 GB에서 몇 TB의 힙 메모리에서도 효율적으로 작동하며, 메모리 사용량이 매우 큰 애플리케이션에 적합하다.

-XX:+UseZGC 옵션으로 사용.

 

6. Shenandoah GC

CMS와 비슷하지만 더욱 짧은 Stop-the-World 시간을 제공하며, 대규모 멀티스레드 환경에 적합하다.

• 병렬 및 동시성: Shenandoah는 거의 모든 GC 작업을 애플리케이션과 동시에 수행한다. 힙 메모리가 매우 크더라도 지연 시간을 최소화하며, 대규모 멀티코어 환경에서 효율적으로 동작한다.

• 동시 압축(concurrent compaction): Shenandoah는 힙 메모리의 조각화를 방지하기 위해, 객체 이동 및 압축 작업도 애플리케이션과 동시에 수행할 수 있다.

• 동시 마킹과 스윕: 객체의 생존 여부를 확인하는 마킹 단계와 메모리 해제 작업을 동시에 처리하여 성능을 향상한다.

-XX:+UseShenandoahGC 옵션으로 사용.

 

자 이런 변천사를 봤는데 공통적인 포인트가 있다. Stop-the-World (멈춰! 그 세계)가 공통적으로 들어있다. 점점 루즈해지니 빨리 설명하겠다.

 

Stop-the-World란?

Stop-the-World는 GC가 실행되는 동안 JVM이 모든 애플리케이션 스레드를 일시 중지하고, GC 작업에 필요한 메모리 정리를 완료할 때까지 기다리는 시간을 의미한다. GC는 힙 메모리에서 객체를 수집할 때, 애플리케이션이 메모리를 사용할 수 없도록 하기 위해 이런 일시 중단을 발생시킨다.

 

Stop-the-World가 발생하는 이유

메모리 관리 작업은 매우 중요한 작업으로, 메모리의 일관성을 유지하기 위해 GC는 애플리케이션의 스레드가 메모리 객체를 동시에 변경하지 않도록 모든 스레드를 멈추게 한다. 이것이 Stop-the-World 이벤트이다.

 

• Serial GC는 단일 스레드라 Heap Memory가 커질수록 Stop-the-World가 길어진다.
• Parallel GC는 병렬 스레드긴 하지만 Stop-the-World 시간이 상대적으로 길고, 애플리케이션 성능에 영향을 미칠 수 있다.
• CMS, G1 GC는 Stop-the-World 시간을 줄이려는 목표를 가지고 있으며, 애플리케이션과 병렬로 GC 작업을 수행한다.
• ZGC와 Shenandoah는 가장 짧은 Stop-the-World 시간을 목표로 하며, 대부분의 GC 작업을 애플리케이션과 동시에 처리하여, 매우 짧은 지연 시간(10ms 이하)을 유지한다.

성능영향? 멈춘다? 개발자들은 알레르기 반응이 슬슬 올라올 거다. 하지만 자바 8 이상이라면 두 눈 뜨고 실제로 보긴 힘들 거다.(그 이하버전을 쓰신다면 유감입니다.) 

GC가 메모리 정리를 효율적으로 마칠 때까지 모든 애플리케이션 스레드는 멈추게 된다. 그러나 Stop-the-World 시간이 너무 길어지면 애플리케이션 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 이를 최소화하는 것이 GC의 주요 목표 중 하나이다.  

 

개념적인 내용은 끝이 났다. GC를 이렇게 글로 다룬 이유는 갑자기 개발을 하다가 GC를 파보고 싶어서 파 봤는데 내가 그냥 GC? 그거 메모리 비워주고 관리해 주는 거 아니야?라고 생각했던 나 자신 반성하도록,,,,,,개인적으로 재밌었다. 다음 성능개선점을 찾을 때 이게 도움이 될지는 모르지만 뭔가 언젠간 분명 이게 차별점이 될 거라 믿는다.

아 그리고 ZGC는 따로 한번 더 다뤄볼 예정이다.

 

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📍 참고자료

https://coderstea.in/post/java/get-ready-to-deep-dive-java-memory-management-garbage-collector/

https://www.geeksforgeeks.org/garbage-collection-java/

https://d2.naver.com/helloworld/1329