Garbage Collection
Java 프로그래밍 언어는 메모리 관리를 자동화하기 위해 가비지 컬렉션(Garbage Collection, GC)이라는 메커니즘을 사용한다.
GC는 더 이상 유효하지 않은 메모리(가비지)를 식별하고 정리하는 과정으로, 가비지를 식별하는 핵심 기준은 도달 가능성(Reachability)이다.
- GC Roots: 참조 사슬의 시작점이 되는 객체
- 실행 중인 스레드의 JVM 스택 (지역 변수, 매개 변수)
- 메소드 영역(Method Area)의 정적(static) 변수
- JNI(Java Native Interface)를 통해 참조되는 네이티브 객체
- 활성화된 스레드 자체 및 시스템 클래스 로더
- 객체 식별: GC Roots로부터 시작하여 참조 사슬로 연결된 모든 객체는 살아있는(reachable) 객체로 간주
- Roots로부터 도달할 수 없는(unreachable) 모든 객체는 가비지로 식별
JVM의 Heap 영역은 약한 세대 가설(Weak Generational Hypothesis)에 기반하여 설계되었다.
- 대부분의 객체는 금방 접근 불가능한 상태(Unreachable)가 됨
- 오래된 객체에서 새로운 객체로의 참조는 매우 드물게 발생함
즉, 객체는 대부분 일회성이며 메모리에 오랫동안 남아있는 경우는 드물다는 것을 기반으로 설계되었다.
힙(Heap) 영역 구분
Section titled “힙(Heap) 영역 구분”전제를 기반으로 JVM의 Heap 영역은 객체의 생존 기간에 따라 Young Generation과 Old Generation으로 나뉜다.
- Young Generation: 새로 생성된 객체가 할당되는 영역
- 대부분의 객체는 금방 사라지므로 많은 객체가 생성되었다가 소멸함
- Young 영역에 대한 가비지 컬렉션은 Minor GC라 칭함
- 효율적인 GC를 위해 Eden, Survivor 0, Survivor 1 세 부분으로 구분
- Old Generation: Young Generation에서 살아남은 객체가 복사되는 영역
- 크기가 큰 객체는 바로 Old 영역에 할당되기도 함
- Young 영역보다 크게 할당되며 가비지 발생 빈도가 낮음
- Old 영역에 대한 가비지 컬렉션은 Major GC라 칭함
Card Table
Section titled “Card Table”Old 영역의 객체가 Young 영역의 객체를 참조하는 경우를 효율적으로 관리하기 위해 도입된 자료구조이다.
- 구조: Old 영역을 512바이트 단위의 카드(Card)로 나누고, 각 카드마다 1바이트의 정보를 할당
- 동작: Old 영역 객체가 Young 영역 객체를 참조할 때마다 해당 카드를 더러운 상태(Dirty)로 표시
- 성능 최적화: Minor GC 시 Old 영역 전체를 스캔하지 않고, 카드 테이블에서 Dirty로 표시된 카드만 조회하여 참조 여부를 확인하므로 STW 시간을 획기적으로 단축
GC 동작 방식
Section titled “GC 동작 방식”Stop-the-world
Section titled “Stop-the-world”GC 실행을 위해 가비지 컬렉터 스레드를 제외한 모든 애플리케이션 스레드 실행을 일시적으로 멈추는 현상이다.
- 전체 스레드 중단: GC 완료 시까지 작업 중단 및 이후 재개
- 성능 영향: STW 시간 단축이 GC 튜닝 및 알고리즘 진화의 핵심 동기
Minor GC(Young Generation)
Section titled “Minor GC(Young Generation)”작은 영역에서 최적화된 가비지 컬렉션을 수행하므로 실행 시간이 짧고 애플리케이션 영향도가 낮다.
- Eden 영역 할당: 새로 생성된 객체 배치
- Minor GC 실행: Eden 영역 포화 시 발생
- 사용되지 않는 객체 메모리 해제
- 살아남은 객체는 Survivor 영역 이동
- Survivor 이동: Survivor 영역 포화 시 살아남은 객체를 다른 Survivor 영역으로 이동
- Old 영역 이동: 계속해서 생존한 객체는 Old 영역으로 승격(Promotion)
Survivor 영역이 2개인 이유
Section titled “Survivor 영역이 2개인 이유”- Survivor 영역의 메모리를 정리하면 메모리들은 연속적으로 배치되지 않게 되면서 단편화 발생
- 새 영역으로 이동하게 되면 메모리가 연속적으로 배치됨
결과적으로 메모리 단편화가 줄어들어 가비지 컬렉션 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
Major GC(Old Generation)
Section titled “Major GC(Old Generation)”Old 영역의 가용 공간이 부족해질 때 발생한다.
- 참조 복잡도: Young 영역보다 크고 참조 관계가 복잡하여 분석에 긴 시간 소요
- 성능 영향: Minor GC보다 훨씬 긴 STW 유발로 애플리케이션 응답성에 큰 영향 미침
프레임워크 내부의 참조 제어 (java.lang.ref)
Section titled “프레임워크 내부의 참조 제어 (java.lang.ref)”일반적인 객체 생성은 항상 강한 참조를 형성하지만, JVM 메모리 엔진과 통신하는 java.lang.ref 패키지 클래스를 사용하면 GC 수거 시점에 개입할 수 있다.
참조 강도 및 GC 수거 정책
Section titled “참조 강도 및 GC 수거 정책”| 참조 유형 | GC 수거 시점 | 주요 활용 사례 (Framework/Library) |
|---|---|---|
| Strong | 참조가 살아있는 한 절대 수거 안 함 | 일반적인 비즈니스 객체, Spring 빈(Bean) 관리 |
| Soft | 힙 여유 공간과 마지막 사용 시간 계산 후 수거 | 캐시 라이브러리(Guava, Caffeine), 이미지 메모리 관리 |
| Weak | 다음 GC 주기가 돌아오면 즉시 수거 결정 | WeakHashMap (Spring/Hibernate 메타데이터 캐싱) |
| Phantom | 파이널라이즈 이후 메모리 회수 직전 알림 | Cleaner API (NIO Direct Buffer 등 네이티브 자원 해제) |
| Unreachable | 루트로부터 연결이 끊긴 즉시 가비지화 | 수명이 다한 모든 임시 객체 |
여러 가지 참조 유형과 수거 정책으로 인해, 다음과 같은 이점을 얻을 수 있게 된다.
- 메모리 효율화:
SoftReference는 메모리 부족 시점에만 선별적으로 수거되어 힙 가용성을 극대화함 - 자동 리소스 정리:
WeakHashMap은 Key에 대한 외부 참조가 사라지면 엔트리를 자동 삭제하여 메모리 누수를 방지함 - 안전한 사후 처리:
PhantomReference는finalize()의 성능 저하와 객체 부활 위험을 보완하여 명확한 자원 정리 시점을 제공함