Java Garbage Collection (GC)¶

Garbage Collection(GC)은 힙(Heap) 영역에서 더 이상 사용되지 않는 객체(Unreachable Object)를 메모리에서 해제하는 JVM의 자동 메모리 관리 프로세스입니다. 개발자가 명시적으로 메모리를 해제할 필요가 없어 메모리 누수를 방지하고 개발 생산성을 높여줍니다.

1. GC의 기본 원리: Reachability¶

GC는 객체가 유효한 참조를 가지고 있는지 판단하기 위해 Reachability라는 개념을 사용합니다.

graph LR
    subgraph RootSet ["Root Set"]
        StackVar["Local Variables"]
        StaticVar["Static Variables"]
    end

    Obj1(("Object 1"))
    Obj2(("Object 2"))
    Obj3(("Object 3"))
    Garbage1(("Garbage 1"))
    Garbage2(("Garbage 2"))

    StackVar --> Obj1
    StaticVar --> Obj2
    Obj1 --> Obj3

    style RootSet fill:#f9f,stroke:#333
    style Obj1 fill:#9f9,stroke:#333
    style Obj2 fill:#9f9,stroke:#333
    style Obj3 fill:#9f9,stroke:#333
    style Garbage1 fill:#faa,stroke:#333
    style Garbage2 fill:#faa,stroke:#333

Reachable: Root Set(스택의 지역 변수, static 변수 등)으로부터 참조 사슬이 이어져 있는 객체. (녹색)
Unreachable: 참조가 끊겨 더 이상 접근할 수 없는 객체. -> GC 대상 (붉은색)

2. GC 동작 과정 (Mark and Sweep)¶

대부분의 GC 알고리즘은 기본적인 과정을 따릅니다.

Mark (마킹): Root Set에서부터 참조를 따라가며 사용 중인 객체(Reachable)를 식별하고 마킹합니다.
Sweep (스윕): 마킹되지 않은 객체(Unreachable)를 힙에서 제거합니다.
Compact (압축, 옵션): 파편화된 메모리를 정리하여 빈 공간을 모읍니다. (알고리즘에 따라 다름)

3. Heap 구조와 Generational GC¶

객체의 수명 특성(Weak Generational Hypothesis)을 반영하여 힙을 두 영역으로 나눕니다.

graph LR
    subgraph Young ["Young Generation"]
        Eden["Eden"]
        S0["Survivor 0"]
        S1["Survivor 1"]
    end

    subgraph Old ["Old Generation"]
        OldSpace["Old Space"]
    end

    Eden -- Minor GC --> S0
    S0 -- Minor GC --> S1
    S1 -- Minor GC --> S0
    S0 -- Promotion --> OldSpace
    S1 -- Promotion --> OldSpace

    style Young fill:#e1f5fe,stroke:#01579b
    style Old fill:#fff3e0,stroke:#e65100

"대부분의 객체는 금방 접근 불가능 상태(Unreachable)가 된다."

3.1 Young Generation¶

새롭게 생성된 객체가 할당되는 곳입니다.
대부분의 객체가 여기서 금방 사라지므로, 여기서 일어나는 GC를 Minor GC라고 합니다.
구조: Eden 영역 1개 + Survivor 영역 2개 (S0, S1)

3.2 Old Generation¶

Young 영역에서 오랫동안 살아남은 객체가 이동(Promotion)되는 곳입니다.
Young 영역보다 크기가 크며, 여기서 일어나는 GC를 Major GC (Full GC)라고 합니다.
Full GC는 비용이 크고 애플리케이션 멈춤(Stop-The-World) 시간이 깁니다.

4. 주요 GC 알고리즘¶

4.1 Serial GC¶

단일 스레드로 GC를 수행합니다.
Stop-The-World 시간이 길어 멀티 코어 환경에는 부적합합니다.

4.2 Parallel GC¶

Young 영역의 GC를 멀티 스레드로 수행합니다. (Java 8의 기본 GC)
throughput(처리량) 중심입니다.

4.3 CMS GC (Concurrent Mark Sweep)¶

애플리케이션 스레드와 GC 스레드를 동시에 실행하여 Stop-The-World 시간을 최소화합니다.
메모리 파편화 문제가 있어 Java 9부터 deprecated 되었습니다.

4.4 G1 GC (Garbage First)¶

힙을 물리적으로 나누지 않고 Region이라는 논리적 단위로 쪼개어 관리합니다.
가비지가 많은 Region을 우선적으로 청소합니다.
Java 9 이상의 기본 GC이며, 대용량 메모리에 적합하고 예측 가능한 일시 정지 시간을 제공합니다.

4.5 ZGC (Z Garbage Collector)¶

Java 15부터 정식 도입된 확장 가능한 저지연(Low Latency) GC입니다.
대용량 힙(수 TB)에서도 Stop-The-World 시간을 10ms 이하로 보장하는 것을 목표로 합니다.

5. Stop-The-World (STW)¶

GC를 실행하기 위해 JVM이 애플리케이션 실행을 멈추는 것을 말합니다. GC 튜닝의 주된 목적은 이 STW 시간을 줄이는 것입니다.