[JAVA] 가바지 컬렉터

개요 

1. 가비지 컬렉터가 필요한 이유
2. 가비지 컬렉션에 대한 전반적인 이해 
3. 가비지 컬렉션의 동작 방법 

https://ybdeveloper.tistory.com/36

[JAVA] JVM이란 무엇일까?

 

가비지 컬렉터가 필요한 이유?

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C나 C++ Language를 사용할 때는, OS 레벨의 메모리에 직접 접근하기 때문에 free()라는 메서드를 호출하여 할당받았던 메모리를 명시적으로 개발자가 해제해주어야 합니다. 만약 그렇지 않으면 메모리 누수가 발생하게 되고, 현재 실행중이던 프로그램에 치명적인 피해를 입힐 수 있습니다.

반면에, 자바는 OS의 메모리 영역에 직접적으로 접근하지 않고, JVM을 이용해서 간접적으로 접근합니다. JVM은 C로 작성된 또 다른 프로그램인데, JVM이 알아서 free()를 호출하여 메모리를 확보하게 됩니다. 즉, 메모리 관리라는 까다로운 부분을 전부 JVM에게 대신 맡겨버리는 것입니다. 

이때 JVM이 메모리 누수현상을 방지하기 위한 방법이 바로 가비지 컬렉션입니다.

 

 

가비지 컬렉션

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개발자가 힙을 자유롭게 사용하고, 더 이상 사용되지 않는 오브젝트들은 가비지 컬렉션을 담당하는 프로세스가 자동으로 메모리에서 제거하도록 하는 것이 가비지 컬렉션의 기본 개념입니다.

가비지 컬렉션은 아주 단순한 규칙을 적용시켜 메모리를 확보시킵니다. 

Heap 영역의 오브젝트 중 Stack에서 도달 불가능한 (Unreachable) 오브젝트들은 가비지 컬렉션의 대상이 된다. 

 

즉, 어떠한 참조변수도 가리키고 있지 않은 Heap 영역의 오브젝트는 가비지 컬렉션의 대상이 된다는 의미입니다.  만약 String형 데이터들에 대해 더하기 연산을 수행한다고 가정해봅시다.

 

String a = "Lee";
 
a += "yunbok"; // 여기서 a에게 무슨일이 벌어질까요?
 

 

첫번째 라인에서 벌어지는 일은 Stack 영역에 a 참조 변수가 저장되고, Heap 영역에는 "Lee"라는 문자열이 저장되겠죠? 

그 다음 라인에서 a와 "yunbok" 간에 덧셈 연산을 수행하게 됩니다. 그렇다면 어떤일이 벌어질까요? "Lee"라는 문자열을 저장하고 있는 위치에 "yunbok"을 추가시키는 것이 아닌, 아예 다른 주소값에 "Leeyunbok"을 할당시킨 후, 참조 변수 a가 해당 문자열을 가리키게 합니다. 

"Leeyunbok"도 중요하지만, 더 이상 아무도 안가리키게 된 "Lee"에 포커스를 맞추어 봅시다. 이러한 오브젝트를 도달 불가능한. 즉, Unreachable 오브젝트라고 말합니다. 이런 오브젝트가 이제 가비지 컬렉션의 목표가 되는 것이지요.

JVM의 가비지 컬렉터는 Unreachable 오브젝트를 우선적으로 메모리에서 제거하여 메모리 공간을 확보하게 됩니다. 가비지 컬렉션 과정은 Mark and Sweep 이라고도 합니다. JVM의 가비지 컬렉터가 스택의 모든 변수들을 스캔하며 각각 어떤 오브젝트를 가리키고 있는지 찾는 과정이 Mark입니다. 첫번째 단계인 Marking 작업을 위해 모든 스레드가 정지되는데 이러한 이유 때문에, 수동으로 가비지 컬렉션을 진행시킬 수 있는 System.gc()를 생각없이 호출하면 안되는 것입니다.

그리고 나서 unreachable 오브젝트들을 힙에서 제거하는 과정이 Sweep 입니다. 즉 가비지 컬렉션 과정은 garbage 오브젝트가 아닌 것들을 mark 해놓고 그 외의 것은 모두 지우는 과정이라고 말할 수 있습니다. 

 

 

Heap의 세분화

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http://www.waitingforcode.com/off-heap/on-heap-off-heap-storage/read

Heap은 위 사진 처럼 Young Generation, Old Generation으로 크게 두개의 영역으로 나누어 지고, Young Generation은 또다시 Eden, Survivor0,1로 세분화 되어집니다. 각 영역의 역할은 가비지 컬렉션 프로세스를 설명하며 언급하도록 하겠습니다.

 

 

가비지 컬렉션 프로세스 

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1. 새로운 오브젝트는 Eden 영역에 할당됩니다. 두 개의 Survivor는 비워진 상태로 시작되게 됩니다.
2. Eden 영역이 오브젝트로 가득차면, MinorGC가 발생합니다.
3. MinorGC가 발생하면, Reachable 오브젝트들은 Survivor0으로 옮겨지게 됩니다. Unreachable 오브젝트들은 Eden 영역이 초기화 될때 함께 메모리에서 사라지게 됩니다. 
4. 다음 MinorGC가 발생할때, Eden 영역에는 3번과 같은 과정이 발생합니다. Unreachable 오브젝트들은 지워지고, Reachable 오브젝트들은 Survivor로 이동하게 됩니다. 기존에 Survivor1에 있었던 Reachable 오브젝트들은 Survivor2로 옮겨지는데, 이때 age 값이 증가되며 옮겨집니다. 살아남은 모든 오브젝트들이 Survivor1으로 모두 옮겨지면, Survivor0과 Eden은 초기화 됩니다.  여기서 Survivor0에서 Survivor1로의 이동은 늘 age 값의 증가를 병행하게 됩니다. 
5. 다음 MinorGC가 발생하면, 4번 과정이 반복되는데, Surviovr1이 가득차 있었으므로 Survivor1에서 살아남은 오브젝트들은 Survivor0으로 옮겨지면서, Survivor1과 Eden은 초기화 됩니다. 이때에도, age값이 증가되어 옮겨지게 됩니다.
6. Young Generation에서 게속해서 살아남으며 age값이 증가하는 오브젝트들은 age값이 특정값 이상이 되면 Old Generation으로 옮겨지게 되는데 이 단계를 Promotion이라고 합니다. 
7. MinorGC가 계속해서 반복되면, Promotion 작업도 꾸준히 발생하게 됩니다.
8. Promotion 작업이 계속해서 반복되면서 Old Generation이 가득차게 되면 MajorGC가 발생하게 됩니다.

 

이 과정들이 반복되는 것이 가비지 컬렉션입니다.

 

MinorGC : Young Generation에서 발생하는 GC
MajorGC : Old Generation에서 발생하는 GC 
FullGC : Heap 전체를 clear하는 작업

 

Reference 

• https://www.oracle.com/webfolder/technetwork/tutorials/obe/java/gc01/index.html
• https://yaboong.github.io/java/2018/05/26/java-memory-management/
• https://yaboong.github.io/java/2018/06/09/java-garbage-collection/

자바 메모리 관리 - 가비지 컬렉션

자바 메모리 관리 - 스택 & 힙

Java Garbage Collection Basics