GC (Garbage Collection)

GC란?

힙 영역의 자바 객체중 사용하지 않거나 참조하지 않은 객체를 처리(쓰레기 수집)하는 프로세스이다.

 

Stop-the-world(STW)란?

GC가 안전하게 메모리를 조작하기 위해 모든 애플리케이션 스레드를 일시 정지 시키는 것

즉, GC에 집중하는 것이다. 

 

mark-sweep-compact란?

GC 대상 객체를 식별(mask), sweep(제거), compact(압축)

compact를 하는 이유는 메모리 단편화를 없애기 위해서이다.

 

GC가 Root Space로부터 그래프 순회를 통해 연결된 객체들을 찾아 마킹하고 그외를 sweep한다음 compact한다.

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GC의 종류

Serial GC

• Young GC : stop-the-world 후 single Thread로 mark-copy(Survivor or Old 영역으로 복사)
• Old GC : mark-sweep-compact
• 모든 GC 작업을 1개의 쓰레드로 수행
• STW 시간이 매우 길다.
• JVM option : -XX:+UseSerialGC

Parallel GC

• Young GC : STW + 다중 쓰레드로 병렬 GC
• Old GC : STW + 병렬 mark-sweep-compact
• GC중 STW존재하지만 GC 속도가 매우 빠름
• Batch, 대규모 연산 처리시 유용

JVM option : -XX:+UseParallelGC

CMS (Concurrent Mark Sweep) - Deprecated

• Old GC를 멈추지 않고(STW X) 대부분을 병행 처리
• GC Root에서 직접 연결된 Old 객체만 표시(mask)
• 초기(root mark)와 마지막 단계만 짧게 STW (짧음)
• JVM option : -XX:+UseParallelGC

단점

• Heap 단편화, Compact단계가 없어 메모리 누수
• 이로인한 Full GC 발생 시 시간 폭증

GC1 (Default)

• 현재 JVM 기본 GC
• Heap을 일정 크기의 Region 단위로 쪼개 관리
• Young/Old 구분을 region 기반으로 동적으로 조절
• Pause time 목표에 따라 GC가 튜닝됨

장점

• STW 크게 줄어듦
• 단편화 X
• Mixed GC 기반(Young, 일부 Old 영역 동시 수집), Old GC도 STW 최소화
• 기본값으로 튜닝 부담 적음

단점

Latency 측면에서 ZGC / Shenandoah 보다 느림

• 내부적으로 구조가 복잡 (메모리 오버헤드 존재)

• JVM option : -XX:+UseG1GC  (기본값이라 따로 설정 안해도 됨)

ZGC

• 대부분 GC 작업을 애플리케이션과 병행 수행
• STW 시간은 1ms 미만
• Colored Pointer + Load Barrier 기술 사용
• 매우 큰 힙(TB단위)도 낮은 지연 유지 가능

장점

• 멈추지 않는 GC
• 대용량 Heap에 강점
• GC puase(STW) 문제를 완전히 해결하는 수준

단점

• G1 보다 CPU/메모리 오버헤드 큼
• 작은 힙에서 비효율 가능성 O
• JVM option : -XX:+UseZGC

Shenandoah 

• Pause time 1~10ms 수준
• ZGC보다 구현 간단
• JVM option : -XX:+UseShenandoahGC

장점

• ZGC와 비슷하게 STW 초 저지연
• Relocation 도 병행 처리

단점

• 일부 JDK 배포판에서만 기본 포함 (AdoptOpenJDK, RedHat JDK)

 

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세대별 GC 동작 방식

Minor GC

Young Generation(Eden + Survivor)에서만 발생하는 GC

 

특징

Eden 대부분 금방 죽는 객체 이므로 mark-copy로 빠르게 수집

매우 짧은 STW

Old 영역에는 영향이 거의 없음

survivor가 꽉 차면 일부가 Old로 승격 : promotion

 

발생 시기

Eden 공간 부족시 Minor GC 실행

 

비용

빠르고 Pause가 짧다.

 

Major GC

Old Generation 대상 GC

 

특징

Old 영역 공간 부족시 실행

전통적인 HotSpot(CMS/Parallel) 기준

 

 

Full GC

Heap 전체를 STW 상태에서 처리하는 GC

 

특징

STW 길이가 가장 길기에 비용적으로 매우 비쌈

객체 mark -> sweep -> compact 까지 포함

 

발생 시기

Promotion failure (survivor -> old 이동 실패)

Old 영역이 꽉 차서 free region이 없을 시

System.gc() 호출

CMS failure

G1에서 evacuation failure

메타스페이스 부족

 

 

GC는 전부 STW를 가진다.