JVM GC의 처리 과정

GC(Garbage Collector)란?

여기서 말하는 Garbage란, 동적으로 할당했던 메모리 중 필요없게 된 메모리 객체를 뜻한다.

따라서 Garbage Collector를 한 단어로 표현하자면 "쓰레기 객체 정리자" 정도로 표현할 수 있다.

GC 대상

GC는 Heap 영역을 대상으로 한다. GC의 처리 과정을 보기 위해서, Heap 영역에 대해 살펴보자.

 

Heap은 처음 설계될 때 2가지 전제로 설계되었다.

1. 대부분의 객체는 금방 접근 불가능한 상태(Unreachable)가 된다.

2. 오래된 객체에서 새로운 객체로의 참조는 아주 적게 존재한다.

 

즉, 객체는 대부분 일회성이며 메모리에 오랫동안 남아있는 경우는 드물다는 것이다.

 

이러한 특성을 이용해 JVM 개발자들은 보다 효율적인 메모리 관리를 위해 객체의 생존 기간에 따라 물리적인 Heap 영역을 나누게 되었고 Young 영역과 Old 영역으로 설계하였다. (초기에는 Permanet 영역도 있었지만 Java 8부터 제거되었다.)

Heap Area

New/Young 영역

- Eden: 새로운 객체가 생성되었을 때 최초로 저장되는 영역

- Survivor 0 / 1: Eden 영역에서 계속해서 참조되는(Reachable) 객체들이 복사되는 영역

 

대부분의 객체가 금방 Unreachable 상태가 되기 때문에, 많은 객체가 Young 영역에 생성되었다가 사라진다.

 

Eden 영역에 객체가 가득 차게 되면 Minor GC가 발생한다.

Eden 영역에 있는 값들을 Survivor 영역에 복사하고 이 영역을 제외한 나머지 영역의 객체를 삭제한다.

따라서 Survivor 영역에는 최소 1번의 GC에서 살아남은 객체들이 존재한다.

 

Old 영역

Young 영역에서 계속해서 참조되는 객체들이 복사되는 영역이다.

Young 영역보다 크게 할당되며, 영역의 크기가 큰 만큼 가비지는 적게 발생한다.

Old 영역이 꽉 찼을 때 Full(=Major) GC가 발생한다. Full GC가 일어남과 동시에 성능이 급격이 저하된다.

Old 영역이 Young 영역보다 크게 할당되는 이유는,
Young 영역의 수명이 짧은 객체들은 큰 공간을 필요로 하지 않으며, 큰 객체들은 Young 영역이 아니라 바로 Old 영역에 할당되기 때문이다.

 

Permanent 영역

클래스로더에 의해 load 되는 클래스, 메서드 등에 대한 메타데이터가 저장되는 영역이다.

Java 7까지는 힙 영역에 존재했지만 Java 8부터 Metaspace로 대체되었다.

Metaspace
Default로 제한된 크기를 가졌던 Permanet 영역보다 더 동적이며 필요한 만큼 확장 가능한 메모리 영역으로, 클래스 메타데이터와 관련 정보를 저장한다.
JVM에 의해 관리되는 힙 영역이 아니라, OS에서 관리되는 Native 메모리 영역에 위치한다.
Metaspace는 기본적으로 네이티브 힙(Heap)에 할당되며 네이티브 메모리를 사용하므로 JVM의 메모리 관리에 더 큰 유연성을 제공한다.

Java 8 전/후 메모리 관리

 

GC의 처리 과정

Minor GC

1. 처음 생성된 객체는 Young Generation 영역의 일부인 Eden 영역에 위치한다.

2. 객체가 계속 생성되어 Eden 영역이 꽉차게 되고 Minor GC가 발생한다.

3. Mark 동작을 통해 reachable 객체를 탐색한다.

4. Eden 영역에서 살아남은 객체는 1개의 Survivor 영역으로 이동한다.

5. Eden 영역에서 사용되지 않는(unreachable) 객체의 메모리를 해제(sweep)한다.

6. 살아남은 모든 객체들은 age값을 1씩 증가시킨다.

7. 또 다시 신규 객체가 생성되어 Eden 영역에 위치한다.

8. Eden 영역에 신규 객체들로 가득 차게 되면,

9. 마찬가지로 Mark 동작을 통해 reachable 객체를 탐색한다.

10. Marking 한 객체들은 비어있는 Survivor 1 으로 이동시킨다.

11. 사용되지 않는(unreachable) 객체의 메모리를 해제(sweep)한다.

12. 살아남은 모든 객체들은 age값을 1씩 증가시킨다.

 

Major GC

1. 객체의 age가 임계값(예시는 5로 설정)에 도달하게 되면,

2. 이 객체들은 Old Generation으로 이동된다. 이를 promotion이라 부른다.

3. 1~2번 과정이 반복되어 Old Generation 영역의 공간이 가득차면 Major GC가 발생한다. Major GC는 단순하게 Old 영역에 있는 모든 객체들을 검사하여 참조되지 않는 객체들을 한꺼번에 삭제한다.

Old 영역은 Young 영역보다 큰 공간을 가지고 있어, 이 공간에서 메모리 상의 객체 제거에 많은 시간이 걸리게 된다. 따라서 Major GC가 발생함과 동시에 성능이 급격히 저하된다.

 

정리

새로운 객체가 생성되었을 때 Eden 영역에 저장되며 계속해서 살아남은(reachable) 객체는 점차 Old 영역으로 이동한다.

New/Young 영역에서 발생하는 GC를 Minor GC, Old 영역에서 발생하는 GC를 Major GC 혹은 Full GC라고 한다.

 

 

 

 

참고 자료

[Java] Garbage Collection(가비지 컬렉션)의 개념 및 동작 원리 (1/2)

☕ 가비지 컬렉션 동작 원리 & GC 종류 💯 총정리

[Java] JVM GC의 처리 과정

Java - Perm 영역이 Metaspace로 바뀐 이유! [+ Heap Area, Native Memory 차이]