주요 GC 알고리즘들

발행일 2024년 3월 14일 • 4 분 소요 • 795 단어 • 다른 언어 선택: English

Table of contents

Serial GC
Parallel GC
Parallel Old GC
CMS GC
G1 GC
Z GC
- Colored pointers
- Load barriers
References

『자바 최적화』 스터디를 하면서 주요 GC 알고리즘들에 대해 더 깊이 공부하고자 작성한 글입니다.

Serial GC

가장 단순한 GC 구현체
STW(Stop-The-World) 이후 한 개의 스레드에서만 GC 수행
mark-sweep-compact 알고리즘 사용
멀티 스레드 환경에서는 부적합

❖ Serial GC 활성화 플래그

java -XX:+UseSerialGC

Parallel GC

자바 5 ~ 8까지 디폴트 GC
GC 처리율을 최대화하기 때문에 Throughput Collector 라고도 불림
메모리 공간이 충분하고 코어 개수가 많을 때 유리한 알고리즘
플래그를 통해 GC에 사용할 최대 스레드 수, 최대 중단 시간, GC 수행 시간 비율을 설정할 수 있음
- -XX:ParallelGCThreads=<N>
- -XX:MaxGCPauseMillis=<N>
- -XX:GCTimeRatio=<N>

❖ Parallel GC 활성화 플래그

java -XX:+UseParallelGC

Parallel Old GC

Parallel GC의 Old 영역 버전
Old 영역까지 멀티 스레드로 GC 수행
Old 영역에 대해 Mark-Summary-Compact 알고리즘 사용
- Mark 단계: Old 영역을 리전별로 나누고, 리전별로 자주 참조되는 객체를 마킹
- Summary 단계: 살아남은 객체들 중 밀도가 높은 부분이 어디인지 dense prefix 를 정하고, 이를 기준으로 compact 영역을 줄임
- Compact 단계: compact 영역을 destination과 source로 나누고, 살아남은 객체를 destination으로 이동, 참조되지 않은 객체는 제거

❖ Parallel Old GC 활성화 플래그

java -XX:+UseParallelOldGC

CMS GC

Concurrent Mark Sweep

cms-gc

❖ Concurrent가 붙으면 애플리케이션 작동 중 동시에 수행된다는 의미

Initial Mark 단계: 클래스로더에서 가장 가까운 객체 중 살아있는 객체만 찾고 끝
Concurrent Mark 단계: 살아있다고 확인한 객체들을 루트로 하여 참조되는 객체들을 마킹
Remark 단계: Concurrent Mark 단계에서 새로 추가되거나 참조가 끊긴 객체들을 마킹
Concurrent Sweep 단계: 마킹되지 않은 객체들을 제거

장점

STW 시간이 매우 짧음
- Low Latency GC 라고도 불림
- 낮은 응답 속도가 중요할 때 사용됨

단점

CPU와 메모리 사용량이 많음
compaction 단계가 없어서 메모리 단편화가 발생할 수 있음
- 조각난 메모리가 많기 때문에 compaction 작업을 하게 되면 STW 시간이 훨씬 더 길어짐

❖ CMS GC 활성화 플래그

java -XX:+UseConcMarkSweepGC

G1 GC

Garbage First

g1-gc

Java 9부터 디폴트 GC
지금까지의 GC와는 완전히 다른 방식
메모리 공간이 넉넉한 멀티 프로세서 환경에서 사용
힙 메모리를 동일 사이즈를 가진 Region 이라는 영역들로 나눠서 메모리를 관리
- 각 리전은 논리적으로 구분됨 (Eden, Survivor, Old, Humongous, Available/Unused)
- Humongous: 리전 크기의 50%를 초과하는 큰 객체를 저장하기 위한 영역
- Available/Unused: 아직 사용되지 않은 영역

GC 수행 단계

글로벌 마킹 단계: 리전별 객체 활성도 판단
스윕 단계: 거의 비어있는 리전부터 우선적으로 가비지를 수집해서 상당한 여유 공간을 확보

RSet (Remembered Set)

rset

영역별로 하나씩 존재하는, 외부에서 힙 영역 내부를 참조하기 위한 레퍼런스 관리 장치
floating garbage를 추적하기 위한 용도
- floating garbage: 이미 죽은 객체가 참조하는 객체여서 살아있는 것처럼 보이는 객체

Minor GC

Eden 영역이 꽉 차면 수행
Eden 영역의 살아남은 객체들을 Survivor 영역으로 이동
비어있게 된 Eden 영역을 Available/Unused 영역으로 지정

Major GC

g1-gc-process

Initial Mark 단계: Old 리전의 객체들이 참조하는 Survivor 영역의 객체들을 마킹 (STW)
Root Region Scan 단계: 위 단계에서 찾은 Survivor 객체들에 대한 스캔 작업
Concurrent Mark 단계: 전체 힙에 대한 스캔 작업 실시 → 가비지가 없는 리전들은 다음 단계에서 제외
Remark 단계: 최종적으로 GC 대상에서 제외할 객체 식별 (STW)
Cleanup 단계: 살아있는 객체가 가장 적은 리전에 대한 미사용 객체 제거 작업 (STW)
Copy 단계: Cleanup 후에도 완전히 비어지지 않은 살아있는 객체들을 새로운 리전에 옮김으로써 compaction 작업 수행 (STW)

❖ G1 GC 활성 플래그

java -XX:+UseG1GC

Z GC

zgc-concept-1

Java 11 때 실험 버전으로 등장, 이후 Java 15부터 정식 버전 출시
STW 시간을 10ms 이하로!
- 저지연을 요구하는 동시성 고비용 작업에 적합
8MB ~ 16TB 크기의 힙 처리 가능
G1 GC와 마찬가지로 힙을 영역별로 나누어 관리하지만, 각 영역의 크기는 다름
- region 대신 ZPage 라는 논리적 단위로 구분
- small(2 MB), medium(32 MB), large(N * 2 MB) 3가지 타입을 가짐

Colored pointers

colored-pointers

객체를 가리키는 변수의 포인터에서 64bit 메모리를 활용해서 객체 상태값을 저장
- 그렇기 때문에 64bit 운영체제에서만 사용 가능!
42bit는 객체의 주소값으로 활용
4bit는 객체의 상태값을 표현
- Finalizable: finalizer를 통해서만 접근 가능한 객체 (가비지)
- Remapped: 객체의 재배치 여부를 표시
- Marked 1 / 0: 접근 가능한 객체를 표시
가상 주소와 실주소 매핑 연산 절약을 위해 모든 가상 주소에 대해 mmap(multi-mapping) 실행
- 이로 인해 메모리 사용량이 3배 증가

Load barriers

zgc-concept-7

객체를 참조할 때 실행되는 코드
힙에 있는 객체가 참조할 수 있는 상태인지 검사
- 문제가 있는 경우 slow path라는 과정을 실행한 후 참조 진행
객체를 참조하기 전에 방어막으로 막아준다는 이미지로 연상하면 이해하기 쉽다!
G1 GC와 다르게 메모리 재배치 과정에서 STW가 발생하지 않게 해줌
Remap Mark와 Rellocation Set을 확인하면서 참조와 mark를 업데이트