Garbage Collection 알고리즘

지난 번엔 Garbage Collection과 동작 원리에 대해 알아보았다.
이번 글에선 GC에 어떤 알고리즘이 있고, 각 알고리즘의 특징에 대해 살펴보자.

1. Serial Collector

단일 쓰레드를 사용하여 모든 GC 작업을 수행하므로 작업 중, 쓰레드 간 통신 오버헤드가 없다.

쓰레드 간 통신은 데이터를 전송하고 조율하는 과정을 의미한다.
다른 의미로는 쓰레드 간 동기화 작업이 수행된다고 할 수 있다. (== 오버헤드 발생)

결과적으로 Serial GC 쓰레드의 작업 시간이 프로그램의 응답 시간에 직접적인 영향을 준다.

싱글 프로세서 환경에 적합한 알고리즘이다.
하지만 처리하는 데이터의 용량이 최대 약 100MB로 매우 작은 경우 멀티 프로세서에서도 유용하게 쓰일 수 있다.

Serial Collector는 특정 하드웨어 및 OS 구성에서 default로 선택되거나,
-XX:+UseSerialGC 옵션을 통해 명시적으로 사용할 수 있다.

Java 8, 11, 17 버전에서 사용 가능하다.

추가로 Major Collection 이후 파편화 된 메모리를 압축해 Hole을 최대화 하는 Compaction 과정이 발생한다.

Parallel Collector

Throughput GC 라고도 부른다.

Serial Collector와 유사하게 동작한다. 하지만 Parallel Collector의 경우 멀티 쓰레드로 GC 작업을 진행한다는 점에서 큰 차이가 있다.
따라서 멀티 프로세서 환경에 적합한 알고리즘이다.

-XX:+UseParallelGC 옵션을 통해 명시적으로 사용할 수 있다.

Java 8, 11 17 버전에서 사용 가능하다.

CMS Collector

Concurrent Mark Sweep의 약자로, 필요하지 않은 객체를 Mark 하고 제거하는 과정인 Sweep을 다른 쓰레드와 동시에 처리한다.

아래 그림은 Serial Collector 와 비교하는 그림이다.
그림에서 볼 수 있듯이, Initial Mark 와 Remark 시간을 제외하고는 GC 작업이 다른 쓰레드와 동시에 처리된다.

그림에서 알 수 있듯이 Stop the world 시간이 매우 짧다. 따라서 응답성이 매우 중요한 프로그램의 경우 좋은 선택지가 될 수 있다.
하지만, 다른 GC 방식에 비해 더 많은 CPU와 메모리를 사용하게 되고, 무엇보다 Memory Compaction이 이루어지지 않아 더 큰 문제가 발생할 수 있다.

Java 9 버전부터는 Deprecated 되어 Java 8 버전에서만 사용 가능하다.

G1 Collector

대용량의 메모리와 멀티 프로세스 환경을 위해 탄생한 알고리즘이다.
지금까지의 알고리즘 중, 성능 면에서 가장 뛰어난 알고리즘이다.
이로 인해 Java 9부터 Default GC로 설정되었다.

G1 Collector의 경우 GC 작업이 효율이 좋은 Young Generation에 집중된다.

처리량 향상을 위해 일부 연산은 항상 Stop-the-world 상태에서 수행한다.

하지만 Global Marking 과 같은 힙 영역 전체를 대상으로 하는 작업은 다른 쓰레드와 병렬적으로 수행된다.

가장 큰 특징은, 이전의 프로그램 동작과 GC로 인한 Stop-the-world 정보를 추적한다.
추적한 정보를 바탕으로 Stop-the-world 상태에서 수행할 작업의 양을 조절한다.
즉, Garbage가 많이 차있는 영역과 같이 효율적인 영역을 우선적으로 처리한다.
Garbage First Collector라고 불리는 이유가 여기에 있는 것이다.

Memory Compacting 작업을 수행한다.

G1 Collector는 기존 Heap 메모리 구조를 물리적으로 나누어 각 영역 별로 관리하던 방식과는 다르다.
아래 그림처럼 Heap 영역을 동일한 크기의 논리적인 Region으로 나누어 각 영역을 관리한다.

위 그림에서 빨간색으로 칠해진 Region은 Young Genration, 파란색은 Old Generation이다.

빨간색 중에서도 "S"가 존재하는 영역은 Survivor 영역이다.

파란색 중에서도 "H"가 존재하는 영역은 Homongous로, 여러 영역에 걸쳐 존재하는 영역임을 의미한다.
이 영역은 애플리케이션에서 직접 할당하는 거대한 객체이다.

위 구조에서 G1 Collector의 GC 작업은 크게 Young-only 와 Space Reclamation 으로 나뉜다.

• Young-only
  1. 일반적인 Minor Collection으로 시작한다.
  2. 이때, Old Generation의 힙 점유율이 임계값을 넘으면 Space Reclamation으로 전환한다.
  3. 동시에 Minor Collection 대신 Concurrent Start Minor Collection을 수행한다.

Concurrent Start Minor Collection
Minor Collection 외에도 Marking 작업을 수행한다.
위에서의 Marking 작업은 Space-Reclamation 작업을 위해 Old Generation에서 Reachable한 객체들은 유지한다.

• Space-Reclamation
  1. 이 단계에서는 여러 개의 Collection이 혼합되어 구성된다. 즉, Old Generation에 존재하는 객체들도 GC 작업에 포함된다.
  2. G1이 더 이상 Old Generation을 작업해도, 가치있는 공간이 확보되지 않는다고 판단하면 종료된다.
  3. 이 단계가 끝나면 Young-only 단계가 다시 시작된다.

백업의 개념으로, 필요없어진 객체를 찾다가 메모리가 부족해지면 다른 Collector와 마찬가지로 Full GC를 수행한다.

-XX:+UseG1GC 옵션을 통해 명시적으로 사용할 수 있다.

Java 11, 17에서 사용 가능하다.

참고

• https://youtu.be/FMUpVA0Vvjw?feature=shared
  
• https://youtu.be/vZRmCbl871I?feature=shared
  
• https://mangkyu.tistory.com/118
  
• https://mangkyu.tistory.com/119
  
• https://mangkyu.tistory.com/120
  
• https://docs.oracle.com/en/java/javase/17/gctuning/available-collectors.html#GUID-45794DA6-AB96-4856-A96D-FDE5F7DEE498
  
• https://stackoverflow.com/questions/70664562/criteria-for-default-garbage-collector-hotspot-jvm-11-17
  
• https://medium.com/javarevisited/java-17-vs-java-11-exploring-the-latest-features-and-improvements-6d13290e4e1a
  
• https://www.optaplanner.org/blog/2021/09/15/HowMuchFasterIsJava17.html
  
• https://www.baeldung.com/jvm-garbage-collectors