개발 일지

자바 실행 구조 & 가비지 컬렉터

September 29, 2020

자바 메모리 구조

JVM


자바 프로그램은 컴파일러에 의해 .class 파일로 변환되어 JVM 위로 올라간다. 그리고 JVM은 이 변환된 바이트 코드를 현재 OS에서 실행가능하도록 변환 및 실행하는 역할을 한다. 이 스펙을 준수하여 구현된 것은 Oracle JDK, Oracle Open JDK, Amazon Corretto 등이 있다.

JVM

  • Class Loader : .class 파일을 JVM 상으로 로드한다.
  • Execution Engine : Runtime Data Area에 있는 바이트 코드를 실행하는 역할을 한다.
  • Garbage Collector : 필요 없는 객체의 메모리를 정리한다.

  • Runtime Data Area : 현재 실행 중인 데이터가 메모리에 올라가 있다.

    • Method(static) Area : 클래스의 인스턴스 변수, 메소드 등의 클래스 정보를 담고 있는 영역.
    • Heap Area : 동적으로 할당되는 변수를 담는 영역. new로 새로운 객체 생성 시 이 영역으로 들어간다.
    • Stack Area : 각 스레드마다 런타임 스택이 생성되며 메소드가 호출되면 발생하는 지역 변수, 매개 변수 등 관련 내용을 스택 프레임으로 쌓는다.
    • PC Register : 현재 수행 중인 JVM의 명령 주소(Program Counter)를 갖는다.
    • Native Method Stack Area : 자바 이외의 네이티브 코드를 담는 영역이다.

Java 8 버전부터는 Permenant가 Heap에 포함되지 않으며, Metaspace라는 이름으로 Native 메모리 영역으로 변경되었다.

Garbage Collector

자바의 garbage collection은 힙 메모리에서 사용중인 오브젝트와 사용하지 않는 오브젝트를 구분하여, 미사용 오브젝트를 삭제하는 것을 말한다.

Object_Life_Cycle

위 그래프처럼 경험적으로 봤을 때, 대부분의 객체는 할당되고 짧은 시간 안에 사용불가능 상태가 되고 소수의 객체만이 유지된다. 이러한 관점에서 만들어진지 얼마되지 않는 젊은 객체와 오래된 객체를 구분하여 두 종류의 GC를 수행한다.

Garbage_Collection

  1. 먼저 새롭게 생성되는 객체는 Eden 영역에 할당된다.
  2. Eden이 가득차면 Minor Garbage Collection이 트리거되며, 마킹되어 살아남은 객체들은 Survivor1으로 이동한다. 그리고 Eden은 삭제된다.
  3. 다시 Eden이 가득차면 Minor Garbage Collection이 트리거 된다. 이 과정에서 살아남은 객체들은 Survivor2로 이동한다. 그리고 기존에 Survivor1에 있던 객체들도 마킹되지 않은 객체는 삭제되고 살아남은 객체들은 aging 되어 Survivor2로 이동한다.
  4. 위 과정을 통해 Eden에서 살아남는 객체와 Survivor에 존재하는 객체가 Survivor1과 Survivor2를 왔다 갔다한다. 그리고 이 중 특정 임계값을 넘도록 aging된 객체는 Old Generation 영역으로 이동한다. Old Generation 영역은 Major Garbage Collectin에 의해 관리된다.

Major GC는 Old Generation이 가득 찼을 때 트리거 된다.

Survivor 영역에서 오버플로우가 발생한다면 Eden 영역에서 살아남은 객체들은 Old Generation으로 바로 이동한다.

Garbage Collector의 종류

The Serial GC

말 그대로 직렬으로 싱글 코어로 GC를 수행한다. GC는 Stop the World라고 하여 GC 작업 중에는 다른 모든 스레드가 중지된다. Java SE 5, 6의 예전에 구현된 GC이며 Major GC는 Mark-Sweep-Compact 알고리즘에 따라 동작한다.

  1. Mark
    살아있는 즉, 레퍼런스가 존재하는 객체 식별
  2. Sweep
    마킹되지 않은 객체를 삭제
  3. Compact
    효율적인 메모리 공간 사용을 위해 살아남은 객체들을 한 곳으로 모으는 압축 과정

Parallel GC

Serial GC과 다른 점은 Minor GC를 수행할 때 병렬적으로 즉, 다중 스레드를 사용하여 처리함으로써 throughput을 끌어올렸다. Major GC의 실행의 알고리즘은 동일하다.

Concurrent Mark Sweep (CMS) Collector

기본적인 형태의 GC에서 Stop the World 시간을 줄이기 위한 알고리즘을 사용한다. Initial Mark → Concurrent Mark → Remark → Concurrent Sweep 과정을 거친다.

  1. Initial Mark
    Stop the World가 발생하는 구간이다. 살아 남는 객체를 탐색하는 과정에서 살아 남은 객체를 하나를 찾으면 종료한다. 매우 짧은 시간 동안 동작한다.
  2. Concurrent Mark
    Stop the World 없이 스레드와 병렬적으로 1 단계에서 찾은 객체를 기반으로 추적하며 살아남은 객체를 식별한다.
  3. Remark
    2 단계에서 스레드가 동작하면서 변경된 사항을 체크한다.
  4. Concurrent Sweep
    마킹이 없는 객체들을 삭제한다.

G1GC

Java 9 이 후 디폴트로 사용되고 있는 GC이며 현재 LTS 버전인 11, 17에서도 디폴트로 사용하고 있다. Young, Old Generation를 물리적으로 구분하던 전통적인 GC와는 다르게 Heap 영역을 Region이라고 단위로 구분한다.

g1gc

  1. Initial Mark(Stop the World Event)
    Old Generation를 참조하는 객체가 있을 수 있는 Survivor Region를 찾아 마킹한다.
  2. Root Region Scan
    1에서 찾은 Survivor Region에 대한 스캔 작업을 진행한다.
  3. Concurrent Mark
    전체 Heap에서 살아있는 객체들을 마킹하며, 비어있는 region들은 바로 반환된다. 이 단계는 Young Generation Garbage Collections에 의해 중지될 수 있다.
  4. Remark(Stop the World Event)
    전체 Heap에서 살아있는 객체에 대한 마킹을 마무리한다. 앞선 단계의 과정에서 다른 스레드에서 동작하여 변경된 사항을 검증한다. 비어있다고 판단되는 region들은 반환된다.
  5. Cleanup(Stop the World Event, Concurrent)
    살아있는 객체가 가장 적은 Region의 미사용 객체 제거 수행한다. 이 후 완전히 비어있는 Region을 반환한다.
  6. Copying(Stop the World Event)
    살아있는 객체들이 존재하는 region의 객체들을 새로운 region에 복사하고 압축한다.

참고

songmk 🙁