다양한 가비지 컬렉션(Garbage Collection) 알고리즘

다양한 가비지 컬렉션(Garbage Collection) 알고리즘

JVM이 메모리를 자동으로 관리해 주는 것은 개발자의 입장에서 상당한 메리트이다. 하지만 문제는 GC를 수행하기 위해 Stop The World에 의해 애플리케이션이 중지되는 것에 있다. Heap의 사이즈가 커지면서 애플리케이션의 지연(Suspend) 현상이 두드러지게 되었고, 이를 막기 위해 다양한 Garbage Collection(가비지 컬렉션) 알고리즘을 지원하고 있다. 

 

 

Serial GC

Serial GC의 Young 영역은 앞서 설명한 알고리즘(Mark Sweep)대로 수행된다. 하지만 Old 영역에서는 Mark Sweep Compact 알고리즘이 사용되는데, 기존의 Mark Sweep에 Compact라는 작업이 추가되었다. Compact는 Heap 영역을 정리하기 위한 단계로 유효한 객체들이 연속되게 쌓이도록 힙의 가장 앞부분부터 채워서 객체가 존재하는 부분과 객체가 존재하지 않는 부분으로 나누는 것이다.

java -XX:+UseSerialGC -jar Application.java

 

Parallel GC

Parallel GC는 Throughput GC로도 알려져 있으며, 기본적인 처리 과정은 Serial GC와 동일하다. 하지만 Parallel GC는 여러 개의 쓰레드를 통해 Parallel하게 GC를 수행함으로써 GC의 오버헤드를 상당히 줄여준다. Parallel GC는 멀티 프로세서 또는 멀티 쓰레드 머신에서 중간 규모부터 대규모의 데이터를 처리하는 애플리케이션을 위해 고안되었으며, 옵션을 통해 애플리케이션의 최대 지연 시간 또는 GC를 수행할 쓰레드의 개수 등을 설정해 줄 수 있다.

 

java -XX:+UseParallelGC -jar Application.java

// 사용할 쓰레드의 갯수
-XX:ParallelGCThreads=<N>

// 최대 지연 시간
-XX:MaxGCPauseMillis=<N>

Parallel GC가 GC의 오버헤드를 상당히 줄여주었고, Java8까지 기본 가비지 컬렉터(Default Garbage Collector)로 사용되었다. 그럼에도 불구하고 Application이 멈추는 것은 피할 수 없었고, 이러한 부분을 개선하기 위해 다른 알고리즘이 더 등장하게 되었다.

 

 

Parallel Old GC

Parallel Old GC는 JDK5 update6부터 제공한 GC이며, 앞서 설명한 Parallel GC와 Old 영역의 GC 알고리즘만 다르다. Parallel Old GC에서는 Mark Sweep Compact가 아닌 Mark Summary Compaction이 사용되는데, Summary 단계에서는 앞서 GC를 수행한 영역에 대해서 별도로 살아있는 객체를 색별 한다는 점에서 다르며 조금 더 복잡하다.

 

 

CMS(Concurrent Mark Sweep) GC

CMS(Concurrent Mark Sweep) GC는 Parallel GC와 마찬가지로 여러 개의 쓰레드를 이용한다. 하지만 기존의 Serial GC나 Parallel GC와는 다르게 Mark Sweep 알고리즘을 동시적(Concurrent)으로 수행하게 된다.

 

 

 

이러한 CMS GC는 애플리케이션의 지연 시간을 최소화하기 위해 고안되었으며, 애플리케이션이 구동중일 때 프로세서의 자원을 공유하여 이용가능해야 한다. CMS GC가 수행될 때에는 자원이 GC를 위해서도 사용되므로 응답이 느려질 순 있지만 응답이 멈추지는 않게 된다.

하지만 이러한 CMS GC는 다른 GC 방식보다 메모리와 CPU를 더 많이 필요로 하며, Compaction 단계를 수행하지 않는다는 단점이 있다. 이 때문에 시스템이 장기적으로 운영되다가 조각난 메모리들이 많아 Compaction 단계가 수행되면 오히려 Stop The World 시간이 길어지는 문제가 발생할 수 있다.

 

// deprecated in java9 and finally dropped in java14
java -XX:+UseConcMarkSweepGC -jar Application.java

만약 GC가 수행되면서 98% 이상의 시간이 CMS GC에 소요되고, 2% 이하의 시간이 Heap의 정리에 사용된다면 CMS GC에 의해 OutOfMemoryError가 던져질 것이다. 물론 이를 disable 하는 옵션이 있지만, CMS GC는 Java9 버전부터 deprecated 되었고 결국 Java14에서는 사용이 중지되었다. 

 

G1(Garbage First) GC

G1(Garbage First) GC는 장기적으로 많은 문제를 일으킬 수 있는 CMS GC를 대체하기 위해 개발되었고, Java7부터 지원되기 시작하였다.

기존의 GC 알고리즘에서는 Heap 영역을 물리적으로 Young 영역(Eden 영역과 2개의 Survivor 영역)과 Old 영역으로 나누어 사용하였다. G1 GC는 Eden 영역에 할당하고, Survivor로 카피하는 등의 과정을 사용하지만 물리적으로 메모리 공간을 나누지 않는다. 대신 Region(지역)이라는 개념을 새로 도입하여 Heap을 균등하게 여러 개의 지역으로 나누고, 각 지역을 역할과 함께 논리적으로 구분하여(Eden 지역인지, Survivor 지역인지, Old 지역인지) 객체를 할당한다.

 

 

G1 GC에서는 Eden, Survivor, Old 역할에 더해 Humongous와 Availabe/Unused라는 2가지 역할을 추가하였다. Humonguous는 Region 크기의 50%를 초과하는 객체를 저장하는 Region을 의미하며, Availabe/Unused는 사용되지 않은 Region을 의미한다. 

G1 GC의 핵심은 Heap을 동일한 크기의 Region으로 나누고, 가비지가 많은 Region에 대해 우선적으로 GC를 수행하는 것이다. 그리고 G1 GC도 다른 가비지 컬렉션과 마찬가지로 2가지 GC(Minor GC, Major GC)로 나누어 수행되는데, 각각에 대해 살펴보도록 하자.

 

 

1. Minor GC

한 지역에 객체를 할당하다가 해당 지역이 꽉 차면 다른 지역에 객체를 할당하고, Minor GC가 실행된다. G1 GC는 각 지역을 추적하고 있기 때문에, 가비지가 가장 많은(Garbage First) 지역을 찾아서 Mark and Sweep를 수행한다.

Eden 지역에서 GC가 수행되면 살아남은 객체를 식별(Mark)하고, 메모리를 회수(Sweep)한다. 그리고 살아남은 객체를 다른 지역으로 이동시키게 된다. 복제되는 지역이 Available/Unused 지역이면 해당 지역은 이제 Survivor 영역이 되고, Eden 영역은 Available/Unused 지역이 된다.

 

 

2. Major GC(Full GC)

시스템이 계속 운영되다가 객체가 너무 많아 빠르게 메모리를 회수할 수 없을 때 Major GC(Full GC)가 실행된다. 그리고 여기서 G1 GC와 다른 GC의 차이점이 두각을 보인다.

기존의 다른 GC 알고리즘은 모든 Heap의 영역에서 GC가 수행되었으며, 그에 따라 처리 시간이 상당히 오래 걸렸다. 하지만 G1 GC는 어느 영역에 가비지가 많은지를 알고 있기 때문에 GC를 수행할 지역을 조합하여 해당 지역에 대해서만 GC를 수행한다. 그리고 이러한 작업은 동시적(Concurrent)으로 수행되기 때문에 애플리케이션의 지연도 최소화할 수 있는 것이다.

 

 

물론 G1 GC는 다른 GC 방식에 비해 잦게 호출될 것이다. 하지만 작은 규모의 메모리 정리 작업이고 동시적(Concurrent)으로 수행되기 때문이 지연이 크지 않으며, 가비지가 많은 지역에 대해 정리를 하므로 훨씬 효율적이다.

 

java -XX:+UseG1GC -jar Application.java

이러한 구조의 G1 GC는 당연히 앞의 어떠한 GC 방식보다 처리 속도가 빠르며 큰 메모리 공간에서 멀티 프로레스 기반으로 운영되는 애플리케이션을 위해 고안되었다. 또한 G1 GC는 다른 GC 방식의 처리속도를 능가하기 때문에 Java9부터 기본 가비지 컬렉터(Default Garbage Collector)로 사용되게 되었다.