[Java] JVM - Garbage Collector

컴퓨터에서 메모리는 한정된 자원이기 때문에 사용하지 않거나 필요없는 부분은 해제해주어야 합니다.

C와 C++와 같은 언매니지드 언어에서는 free()와 같은 함수를 호출하여 개발자가 직접 메모리를 해제해주는 작업을 수행해야 하는 것과 반대로 자바에서는 JVM 내부의 가비지 컬렉터에서 주기적으로 참조되지 않는 객체들을 검사하여 메모리를 해제하는 작업을 수행합니다.

 

용어 정리

• 가비지 컬렉터 : JVM 내부에 위치하여 메모리에서 더 이상 사용되지 않는 객체를 찾아 메모리를 회수하는 역할을 하는 구성요소
• 가비지 컬렉션 : 가비지 컬렉터에 의해 수행되는 프로세스

 

가비지 컬렉션은 new 키워드로 생성한 객체가 저장되는 "힙 영역"에 대해서만 이루어집니다.

가비지 컬렉션이 어떻게 동작하는지 그림을 통해 더 자세히 알아봅시다.

 

• new 키워드로 생성된 객체, 배열이 저장되는 곳인 힙 영역입니다.
• 효율적인 가비지 컬렉터 동작을 위해 힙 영역은 다시 힙 영역은 크게 Young, Tenured, Permanent 영역으로 구분됩니다.
  • Young Generation
    • 객체가 생성되자마자 저장되고 생긴지 얼마 되지 않은 객체가 저장되는 공간입니다.
    • Eden 영역이 꽉 차는 경우 GC가 이루어지는데요. GC에 의해 살아남은 객체들은 Survivor 영역으로 이동되고, Survivor 영역이 꽉 차게 되는 경우에는 Tenured의 Old 영역으로 이동합니다.
  • Tenured Generation
    • Young Generation 공간이 꽉 찼을 때 새로운 객체나 배열이 생성되면 기존에 Young Generation에 있던 객체 및 배열의 참조가 이곳의 Old영역으로 이동되거나 회수됩니다.
    • Young Generation과 Tenured Generation에서의 이루어지는 GC를 "Minor GC"라고 부릅니다.
    • 이후 Old 영역에 할당된 메모리가 허용치를 넘게 되거나 Minor GC를 수행한 뒤에도 새로운 메모리를 할당하기에 공간히 여전히 부족한 경우와 같이 Minor GC가 실패한 경우 Old 영역에 있는 모든 객체들을 검사하여 참조되지 않는 객체들을 한꺼번에 삭제하는 GC가 실행됩니다.
    • 이렇게 Old 영역의 메모리를 회수하는 GC를 "Major GC"라고 말합니다.
  • Permenant Generation
    • JDK8 부터 사라지고 Metaspace로 대체됨.

 

가비지 컬렉터는 어떤 원리로 소멸 대상을 선정할까?

가비지 컬렉터는 어떤 알고리즘으로 객체가 현재 사용되고 있는지 판별할까요. 많은 알고리즘이 사용되지만 공통적인 원리가 있습니다. 먼저 가비지 컬렉터는 사용되지 않는 객체를 판별하기 위해 Reachablity 개념을 사용합니다.

 

Reachablity / Reachable, Unreachable

• 가비지 컬렉터가 사용되지 않는 객체를 판별하기 위해 사용하는 기준
• Reachable : 힙 영역에 할당된 어떠한 객체가 유효한 참조가 있는 경우 Reachable 하다고 판단하고 살려둠.
• Unreachable : 힙 영역에 할당된 어떠한 객체가 유효한 참조가 없는 경우, 즉 사용되지 않는다고 판단한 경우 Unreachable 객체로 판단하여 가바지로 간주하고 GC를 수행

 

하나의 객체는 다른 객체를 참조하고 다른 객체는 또 다른 객체를 참조하는 방식으로 형성된 참조 사슬의 경우에 유효한 참조 여부를 파악하려면  유효한 "최초의" 참조가 있어야 합니다.  이 참조 사슬 중 "최초"에 참조한 것을 Root Set이라고 합니다.

 

 

Root Set이 되기 위한 조건

• 각각의 쓰레드의 Stack 영역에 존재하는 Local Variable, Operand Stack에 존재하는 참조 값 등
• Heap 영역에 존재하는 Constant Pool 참조 관계
• JNI (Java Native Interface)를 통해 생성된 객체들
• Meta 영역에 존재하는 Load 된 Class 의 Data들
• Heap 영역 내부에서 다른 객체를 참조 중인 객체

어떠한 객체가 참조 사슬에서 위 조건에 만족하는 Root Set에 의해 참조되지 않는다면 Unreachable Objects로 판단하며, GC의 대상으로 선정됩니다.

 

이렇게 선정된 객체들은 바로 선정되었다고 해서 바로 GC에 의해 소거되는 것은 아니고, 시스템의 성능에 영향이 가지 않도록 실행타임을 결정하는 별도의 알고리즘을 토대로 가비지 컬렉션이 수행됩니다.

 

 

<참고 자료>

Presentation - JVM GC 기본 개념과 기본 GC 알고리즘.