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Garbage Collection

Java는 C, C++ 언어와 달리 개발자가 명시적으로 객체를 해제할 필요가 없습니다.
Java에서는 JVM(Java Virtual Machine)이 구성된 JRE(Java Runtime Environment)가 제공됩니다.
JVM에서 Garbage Collection을 수행하여 사용하지 않는 객체를 메모리에서 삭제하는 작업을 하게 됩니다.

💡 stop-the-world
GC를 실행하기 위해 JVM이 애플리케이션 실행을 멈추는 것입니다.
어떤 GC 알고리즘을 사용하더라도 이는 발생하게 되는데, 대개의 경우 GC 튜닝은 이 시간을 줄이는 것이 중요합니다.

다음과 같은 경우에 GC의 대상이 됩니다.

1. 객체가 Null인 경우
2. 블럭 실행 종료 후, 블럭 안에서 생성된 객체
3. 부모 객체가 Null인 경우, 포함하는 자식 객체

💡 GC 메모리 해제 과정
1. Marking: 프로세스는 마킹을 호출하여 메모리가 사용되는지 아닌지 찾아냅니다. 모든 오브젝트가 스캔되기 때문에 많은 시간이 소모됩니다.
2. Mormal Deletion: 참조되지 않는 객체를 제거하고 메모리를 반환합니다. 메모리 Allocator는 반환되어 비어진 블럭의 참조 위치를 저장해 두었다가 새로운 오브젝트가 선언되면 할당되도록 합니다.
3. Compacting: 퍼포먼스 향상을 위해 참조되지 않는 객체를 제거하고 남은 객체들을 묶음으로서 새로운 메모리 할당 시 더 쉽게 빠르게 진행될 수 있도록 합니다.

Weak Generational Hypothesis

위 GC 메모리 해제 과정과 같이 모든 객체를 Mark & Compack 하는 JVM은 비효율적입니다.
아래 그래프에서 Y축은 할당된 바이트의 수, X축은 바이트가 할당될 때의 시간을 나타냅니다.

위 그래프와 같이 시간이 갈수록 적은 객체만 남는 다는 것이 약한 세대 가설입니다.

신규로 생성한 객체의 대부분은 금방 사용하지 않는 상태가 되고, 오래된 객체에서 신규 객체로의 참조는 매우 적게 존재한다는 가설입니다.
이 가설에 기반하여 자바는 Young 영역과 Old 영역으로 메모리를 분할하여
신규로 생성되는 객체는 Young 영역에, 오랫동안 살아남은 객체는 Old 영역에 보관합니다.

Generational Gabage Collection

JVM의 메모리는 총 class, stack, heap, native method, PC, 5가지 영역으로 나뉘는데, GC는 힙 메모리만 다룹니다.

1. Young Generation 영역
   새롭게 생성한 객체가 위치하는 곳으로 많은 객체가 생성되었다가 사라지는 영역입니다.
   이 영역에서 객체가 사라질 때 Minor GC가 발생한다고 말합니다.
   
2. Old Generation 영역
   접근 불가능 상태로 되지 않고 Young 영역에서 살아남은 객체가 여기로 복사됩니다.
   Young 영역보다 크게 할당하며 크기가 큰 만큼 GC는 적게 발생합니다.
   이 영역에서 객체가 사라질 때 Major GC 또는 Full GC가 발생한다고 말합니다.
   
3. Permanent 영역
   Methods Area라고도 하며, JVM이 클래스들과 메소드들을 설명하기 위해 필요한 메타 데이터들을 포함하는 영역입니다.
   JDK8부터는 Meta Space로 교체됩니다.
   

✅ Generational Gabage Collection 과정
1. 새로운 객체가 들어오면 Eden Space에 할당합니다.
2. Eden Space가 가득차면 Minor Garbage Collection이 시작됩니다.
3. 참조중인 객체는 Survivor1 영역으로, 비 참조 객체는 Eden Spacerk Clear될 때 반환됩니다.
4. 다음 Minor GC 때 참조 객체는 Survivor2 영역으로 이동합니다. 참조 객체들이 모두 Survivor2 영역으로 이동하게 되면 Eden Space와 Survivor1 영역은 Clear 됩니다. 주의할 점은 다른 age를 가진 객체들을 한 공간에 가지게 되었다는 것입니다.
5. 다음 Minor GC 에서는 참조 객체들이 Survivor1 영역으로 이동합니다. 이렇게 계속 두 공간을 번갈아가며 사용합니다.
6. Minor GC 후 Survivor 영역이 가득차거나 또는 객체들이 일정한 age threshold를 넘게 되면 Old 영역으로 Promition 됩니다.
7. Major Gsms Old Generation에서 실행 후 Clear 되고 공간이 Compact 됩니다.

GC의 종류

Serial GC (-XX:+UseSerialGC)

가장 단순한 방식의 GC로 싱글 스레드로 동작하기 때문에 그만큼 stop-the-world 시간이 깁니다.
Mark & Sweep & Compact 알고리즘을 사용합니다.

ParallelGC (-XX:+UseParallelGC)

Java 8의 default GC로, Young 영역의 GC를 멀티 스레드 방식으로 사용하기 때문에 Serial GC보다 stop-the-world 가 짧습니다.
Old Generation 영역에서만 Full GC(공간 재확보 및 조각 모음) 수행합니다.

Parallel Old GC (-XX:+UseParallelOldGC / -XX:+ParallelGCThreads=n)

Old 영역까지 멀티 스레드 방식을 사용하는 것으로 -XX:+ParallelGCThreads=n 옵션을 통해 멀티 스레드 개수를 지정할 수 있습니다.

CMS GC(Concurrent Mark Sweep GC)

Stop The World로 Java Application이 멈추는 현상을 줄이고자 만든 GC로,
4 단계로 나누어 Reacable 한 객체를 한번에 찾지 않고 나눠서 찾는 방식을 사용합니다.

1. Initial Mark: GC Root가 참조하는 객체만 마킹합니다. (stop-the-world 발생)
2. Concurrent Mark: 참조하는 객체를 따라가며, 지속적으로 마킹합니다. (stop-the-world 없이 수행)
3. Remark: concurrent mark 과정에서 변경된 사항이 없는지 다시 한번 마킹하며 확정하는 과정을 진행합니다. (stop-the-world 발생)
4. Concurrent Sweep: 접근할 수 없는 객체를 제거하는 과정을 진행합니다. (stop-the-world 없이 수행)

CMS는 Old Generation의 조각 모음(Compaction)을 하지 않으므로 Full GC 시간이 길어지는 문제가 발생합니다.

G1 GC (Garbage Frist GC) (-XX:+UseG1GC)

Java 9 이상의 버전에서 default GC로, 현재 GC 중 stop-the-world의 시간이 제일 짧습니다.
CMS GC 를 개선하여 만든 GC로 다른 GC와 다르게 전체 힙 공간을 체스판처럼 Region 이라는 영역으로 나누어 관리합니다.

전체 Heap에 대해서 탐색하지 않고 부분적으로 Region 단위로 탐색하여, 각각의 Region에만 GC가 발생합니다.
Young과 Old 영역의 구분이 없으며, 영역의 참조를 관리할 목적으로 Remember Set을 만들어 사용합니다. (전체 힙의 5% 미만의 크기)
큰 메모리를 가진 멀티 프로세스 시스템에 적합합니다.

💡 G1 GC 동작 과정
Young 영역(Eden, Survivor)에서는 Young GC가 수행되며 Eden, Survivor 영역 이동
옮기면서 비워진 영역은 사용 가능한 빈 영역으로 되돌림

✅ Full GC 수행 단계
Initial Mark -> Root Region Scan -> Concurrent Mark -> Remark -> Cleanup -> Copy

- Initial Mark
  Old 지역에 존재하는 객체가 참조하는 Survivor 영역 탐색
  STW 발생

- Root Region Scan
  이전 단계에서 찾은 영역에 대한 GC 대상 객체 스캔

- Concurrent Mark
  전체 힙 영역 스캔
  GC 대상 객체가 없는 영역은 이후 단계에서 제외

- Remark
  STW가 발생하며 최종으로 GC 대상에서 제외할 객체 식별

- Cleanup
  STW가 발생하며 제거할 객체가 가장 많은 지역에서 GC 수행
  완료 후, 완전히 비워진 영역을 재사용하기 위해 Freelist에 추가

- Copy
  GC 대상이었지만 Cleanup 단계에서 완전히 비워지지 않은 지역의 남은 객체를 새로운 영역에 복사하여 조각 모음(Compaction) 작업 수행