[JAVA 자바] 가비지 컬렉션(Garbage Collection)이란?

Gabage Collection, 줄여서 약어로 GC라고 부른다. 영어로 그대로 읽어서 가비지 컬렉션이라고 부릅니다.

메모리 관리 방법 중에 하나로, 말그대로 안쓰는 쓰레기(자원)를 수집(회수)한다고 생각하면 됩니다.

시스템에서 더이상 사용하지 않는 동적 할당된 메모리 블럭을 찾아 자동으로 다시 사용 가능한 자원으로 회수하는 것으로 시스템에서 가비지 컬렉션을 수행하는 부분을 가비지 컬렉터라고 부릅니다.

 

가령 C언어는 개발자가 메모리를 할당한(malloc) 뒤 수동으로 해제(free) 작업을 직접 관리하여야 한다. 그래서 메모리를 할당해 놓고 필요없어진 뒤에도 해제를 안하는 일 등이 생겨서 메모리 누수가 생기거나 거꾸로 해제했던 메모리를 다시 사용하는 실수등 버그가 생기게 된다.

하지만, 가비지 컬렉션 기능을 채택한 언어의 경우에는 이 가비지 컬렉션에서 제공하는 할당과 해제를 이용하여 자동으로 프로그램이 실행되며 생기는 쓸모없어지는 메모리들을 알아서 수집하고 관리해준다. 

더이상 필요 없어진 메모리를
쓰레기(Garbage)라고 하고
이 쓰레기를 효과적으로 처리하는 작업을
GC(Garbage Colleciton)이라고 부른다.

가비지 컬렉터의 원리

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GC 작업을 하는 가비지 콜렉터는 다음과 같은 일을 한다.

1. 메모리 할당
2. 사용 중인 메모리 인식
3. 사용하지 않는 메모리 인식

즉, 메모리가 부족할 때 쓰레기를 정리해주는 프로그램을 가비지 컬렉터라고 부른다. 가비지 컬렉터에 대해서 알기 전에 우선 메모리에 대한 이해가 필요한데 프로그램을 실행할 때 메모리를 관리하는 OS에 프로그램 실행에 필요한 메모리를 요청하게 된다. 이때 메모리를 어디에 저장할지 그 주소를 할당하는데 이 주소를 offset 주소라고 부른다.

이 할당된 메모리들은 프로그램이 돌아가면 필연적으로 '가비지'가 발생하게 된다. 기존에 가리키고 있던 메모리를 새롭게 선언되거나 형변환이 되면서 다른 곳을 가리키게 되면서 주소를 잃어버리게 되고 다시 찾을 수 없게 되면서 정리되지 않은 메모리가 생겨버리게 되기 때문이다.

그래서 가비지 컬렉터는 가비지를 다른 용도로 사용할 수 있도록 메모리 해제를 시킨다. 이것이 가비지 컬렉터의 목적이다.

자바 기준으로 JVM은 메모리를 부여받고 프로그램을 실행하다가 메모리가 부족해지는 순간이 오면 추가적으로 메모리를 더 요청한다. 요청하는 바로 이때 가비지 컬렉터가 실행된다.

 

Stop-the-world

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Stop-the-world는 GC 실행을 위해 JVM이 애플리케이션 실행을 멈추는 것이다. 이 stop-the-world가 발생하면 GC를 실행하는 쓰레드를 제외한 나머지 쓰레드는 모두 작업을 멈춘다. 그래서 대부분의 경우 말하는 GC 튜닝이란 이 stop-the-world의 시간을 줄이는 것을 말한다.

GC의 과정을 Mark and Sweep 이라고 부른다. 가비지 컬렉터가 닿을 수 있는 모든 변수나 객체들을 스캔하면서 어떤 객체를 가리키고 있는지 찾는 과정을 Mark라고 하고 이 과정에서 stop-the World가 발생한다. 이후 Mark 되어있지 않은 객체들을 힙에서 제거하는 과정이 Sweep이다.

 

JVM의 heap 영역

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JVM의 메모리는 크게 클래스 영역, 자바 스택, 힙, 네이티브 메소드 스택 이렇게 4개 영역으로 나뉜다. 가비지 콜렉터에서는 여기서 힙 메모리를 다루게 된다.

이 Heap은 Young, Old, Perm 또 다시 세 영역으로 나뉘게 되는데, Young 영역에서 발생한 GC를 Minor GC, 나머지 두 영역에서 발생한 GC를 Major GC(또는 Full GC)라고 한다.

 

Minor GC와 Major GC

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• Young 영역 - 새롭게 생성한 객체가 위치, 대부분의 객체가 금방 닿을 수 없는 상태가 되기 때문에 많은 객체가 이 영역에 생성되었다가 사라진다.
• Old 영역 - Young 영역에서 참조할 수 있는 상태를 유지해 살아남은 객체가 여기로 복사된다. 대부분 Young 영역보다 크게 할당하며 크기가 큰 만큼 Young 영역보다는 GC가 적게 발생한다.
• Perm 영역: 클래스와 메소드 정보와 같이 자바 언어 레벨에서는 거의 사용되지 않는 영역이다.

 

객체의 이동 순서

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일단 메모리에 객체가 생성되면 위 사진의 Eden 영역에 객체가 지정된다. Eden 영역에 데이터가 어느 정도 쌓이면 이 영역에 있던 객체가 다른 곳으로 옮겨지거나 삭제된다. 이때 옮겨가는 위치가 바로 survivor Space라고 표시된 곳이다.

survivor Space는 보통 두 개의 영역이 있고 이 둘 중에 우선순위가 따로 정해져있는 것이 아니라 비어있는 곳에 지정되므로 둘 중에 한 개의 영역은 반드시 비어있어야 한다.

그러다가 더 큰 객체가 생성되거나 더 이상 Young 영역에 공간이 남지 않으면 객체들은 Old 영역으로 이동하게 된다.

• 객체의 이동 순서 Eden→Survivor→Old

 

가비지 컬렉터의 한계

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• 어떤 방식의 쓰레기 수집을 사용하든 실행 시간에 작업을 하는 이상 성능 하락을 피할 수는 없다.
• 쓰레기 수집기가 존재하더라도 더 이상 접근이 불가능한 객체만 회수하기 때문에 메모리 누수는 발생할 수 있다.