Garbage Collection 동작 원리

1. 개요

가비지 컬렉션(Garbage Collection, GC)은 자바 프로그램 실행 시 JVM(Java Virtual Machine)의 Heap 영역에서 동적으로 할당된 메모리 중 더 이상 사용되지 않는 객체(Unreachable Object)를 찾아 자동으로 메모리를 회수하는 프로세스입니다. 개발자가 직접 메모리를 해제할 필요 없이 메모리 누수(Memory Leak)를 방지할 수 있습니다.

2. GC의 핵심 알고리즘: Mark and Sweep

가비지 컬렉션의 가장 기본적인 알고리즘은 Mark and Sweep 방식으로 이루어집니다.

1. Mark (식별): GC Root(Stack의 로컬 변수, Method 영역의 정적 변수 등)에서 출발하여 연결된 모든 객체를 탐색하고, 사용 중인 객체(Reachable)를 식별(Mark)합니다.
2. Sweep (제거): Mark되지 않은 객체(Unreachable)를 식별하여 메모리에서 제거합니다.
3. Compact (압축, 옵션): Sweep 이후 흩어져 있는 여유 메모리 공간을 한곳으로 모아 단편화(Fragmentation)를 방지하는 과정을 거치는 GC 알고리즘도 존재합니다.

3. 세대별 가비지 컬렉션 (Generational GC)

JVM은 "대부분의 객체는 금방 접근 불가능 상태(Unreachable)가 된다"는 Weak Generational Hypothesis(약한 세대 가설) 를 기반으로 Heap 영역을 두 개의 주요 세대(Generation)로 나누어 관리합니다.

3.1. Young Generation

• 새롭게 생성된 객체가 할당되는 영역입니다.
• Eden 영역과 2개의 Survivor 영역(Survivor 0, Survivor 1)으로 구성됩니다.
• 이곳에서 발생하는 GC를 Minor GC라고 부르며, 비교적 빈번하게 발생하고 속도가 매우 빠릅니다.
• 동작 방식:
  1. 객체가 처음 생성되면 Eden 영역에 할당됩니다.
  2. Eden 영역이 꽉 차면 Minor GC가 발생하고, 살아남은 객체는 Survivor 영역 중 하나로 이동합니다.
  3. 이 과정에서 살아남은 횟수(Age)가 기록되며, 일정한 임계값을 넘긴 객체는 Old Generation으로 승격(Promotion)됩니다.

3.2. Old Generation

• Young Generation에서 살아남아 승격(Promotion)된 오래된 객체들이 저장되는 영역입니다.
• Young 영역보다 크기가 크게 할당되며, 객체가 상대적으로 적게 소멸됩니다.
• 이곳에서 발생하는 GC를 Major GC (또는 Full GC)라고 부릅니다.
• Stop-The-World: Major GC가 발생하면 GC 쓰레드를 제외한 모든 애플리케이션 쓰레드가 일시 정지(Stop-The-World)되며, 이는 애플리케이션 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

4. 다양한 GC 방식

성능 향상과 Stop-The-World 시간을 최소화하기 위해 JVM은 다양한 GC 알고리즘을 지원합니다.

• Serial GC: 단일 스레드로 GC를 처리합니다. 성능이 낮아 주로 싱글 코어 환경이나 매우 작은 애플리케이션에 사용됩니다.
• Parallel GC: 다중 스레드로 Minor GC를 수행하여 속도를 향상시킵니다. (Java 8의 기본 GC)
• CMS (Concurrent Mark Sweep) GC: Stop-The-World 시간을 줄이기 위해 애플리케이션 스레드와 GC 스레드가 동시에 실행되도록 한 방식입니다. (현재는 Deprecated)
• G1 (Garbage First) GC: Heap을 일정한 크기의 논리적 단위(Region)로 나누어, 쓰레기가 가장 많은(가비지가 가장 많은) Region부터 우선적으로 수거합니다. (Java 9 이상부터 기본 GC)
• ZGC / Shenandoah GC: 초저지연(Ultra-low latency)을 목표로 하며 10ms 이하의 매우 짧은 Stop-The-World 시간을 보장합니다. (대용량 Heap 메모리 환경에 적합)