GC(Garbage Collection)

📌 GC란?

GC는 자바에서 사용되지 않는 객체(= 참조되지 않는 객체)를 Heap 메모리에서 자동으로 회수하는 기능입니다.

✅ 목적

• 개발자가 free()나 delete 없이도 메모리 누수를 방지
• 애플리케이션의 안정성 & 유지보수성 향상

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JVM Heap 메모리 구조 (Generational GC)

Heap
├── Young Generation
│   ├── Eden
│   └── Survivor 0
│       └── Survivor 1
└── Old Generation

영역	설명
Eden	객체가 처음 생성되는 공간
Survivor 0/1	살아남은 객체들이 임시로 이동하는 공간
Old	여러 번 살아남은 객체들이 올라가는 영역

🔍 대부분의 객체는 "금방 죽는다"는 관찰에 기반한 구조 → 세대별 관리

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Survivor 0/1 두 개로 나뉘는 이유

• GC 성능을 높이기 위해서이다.
• 해당 이유를 알기 위해서는 가비지 컬렉션의 복사 동작 방식에 대해서 알아야 한다.

 

📦 가비지 컬렉의 동작 방식은 왜 복사를 사용하는가?

 

🔍 먼저: GC의 핵심

• “어떤 객체는 계속 살아있고, 어떤 객체는 더 이상 필요 없다”
• 이를 판단하고 불필요한 객체를 제거해 Heap 공간을 회수하는 것이 GC의 본질입니다.

 

🔁 기본적인 GC 동작 흐름 - 기본 방식

• 가장 기본적인 구조는 "Mark and Sweep"

  Mark: GC Root에서 도달 가능한 객체에 “살아있다” 표시
  

Sweep: 마크되지 않은 객체를 제거

(Optional) Compact: 살아남은 객체를 한쪽으로 몰아 단편화 제거

**🧩 GC Root란?**
* GC는 GC Root에서 출발해 도달할 수 있는 객체만 살아있다고 간주합니다. 도달할 수 없는 객체는 Garbage로 처리되어 수집 대상이 됩니다.

| 구분                | 예시                               |
| ----------------- | -------------------------------- |
| **스레드 스택 변수**     | 현재 실행 중인 메서드의 지역 변수 및 파라미터       |
| **정적(static) 변수** | 클래스에 선언된 static 필드               |
| **클래스 로더**        | 클래스 로딩에 사용된 객체                   |
| **JNI 참조**        | 네이티브 코드에서 참조 중인 객체 (JNI 전역 레퍼런스) |


### ❗ 그런데 문제가 있다… 
* ❌ "Sweep 방식"의 문제점

객체가 여기저기 흩어짐 → 메모리 단편화(Fragmentation) // 리스트 식으로 있다고 했을 때, 1 4 8 이런식으로 저장됨. 연속적으로 저장되는게 아니라

 

다음 객체를 할당할 때 빈 공간이 부족하거나 불규칙 → 성능 저하 // 메모리 단편화 때문에 이런 문제 발생
메모리 블록을 계속 추적하고, free 목록 유지해야 함 → 복잡도 증가

 

### ✅ 그래서 등장한 복사(Copying) 기반 GC - 새로운 방식
* 살아남은 객체만 한쪽으로 복사해서 Heap을 새로 정리 → 단편화 없이 "깔끔한" Heap 생성

### 🧠 복사 방식(Copying Collection)의 동작

전체 영역을 두 부분으로 나눔: From(읽어오기), To(쓰기 - 데이터 복사)

 

1. 객체가 From 영역에 있음
2. GC 실행 시, 살아 있는 객체만 To 영역에 복사
3. GC 종료 후, From ↔ To 역할 교체 (ping-pong)

이러한 이유에 의해 Survivor 2개가 필요합니다. 읽기 - 쓰기 영역

 

Survivor 이 만일 하나라면?

문제	설명
데이터 오염	객체 A를 복사하는 중에, A가 덮어씌워질 수 있음
참조 꼬임	객체가 참조하는 대상이 아직 이동되지 않았는데 주소가 바뀌면 참조 오류 발생
생존 횟수 추적 불가	어디서 왔는지, 몇 번 살아남았는지 판단이 모호해짐

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🎯 그래서 실제 자바 GC는 어떻게 하느냐?

 

Young 영역 → 복사 기반 GC (Minor GC)

• Eden → Survivor0 → Survivor1 → (Promotion) ---- 이때 생존 횟수를 추적해서 Promotion
• 살아남은 객체만 복사 = 효율적
• 대부분 객체는 Young에서 금방 죽기 때문에 매우 적합

 

Old 영역 → Mark-Sweep-Compact 기반 GC (Major/Full GC)

• 오래 살아남은 객체 많음 → 대부분 복사 필요함 → 비효율
• Mark - Sweep - Compact(필요시)

 

📌 왜 Young은 복사(Copying), Old는 Mark-Sweep?

항목	Young 영역 (Minor GC)	Old 영역 (Major GC)
객체 생명 주기	대부분 금방 죽음	대부분 오래 살아남
회수 대상	죽은 객체가 대부분	살아 있는 객체가 대부분
복사 효율	살아있는 것만 소수 복사 → 빠름	대부분 복사해야 해서 비효율적
GC 전략	복사 기반	Mark-Sweep(-Compact)

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SWT (Stop - The - World)

💡 정의

• JVM이 GC나 JIT 컴파일 등 내부 작업을 안전하게 수행하기 위해, 모든 애플리케이션 스레드를 일시 정지시키는 것

 

📌 언제 발생하나?

상황	설명
Minor GC	Young 영역 수집할 때도 STW 발생
Major / Full GC	Old + 전체 Heap 수집 시, 더 긴 시간 STW
클래스 로딩	동적 클래스 로딩 시
JIT 컴파일	바이트코드 → 네이티브 코드 변환 시

 

📌 왜 필요하나?

• GC 중 객체가 참조 이동, 복사, 제거되기 때문에 동시에 다른 스레드가 실행되면 데이터 일관성 깨짐
• 그래서 GC는 안전하게 수행되도록 STW 발생시킴

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GC의 문제점

 

문제	설명
STW 지연	GC 중 모든 스레드 정지. 사용자 요청 응답 지연
Full GC 빈번	Old 영역이 자주 차면 Full GC가 자주 발생 → 시스템 멈춤
메모리 누수	더 이상 사용되지 않지만 참조가 남아있는 객체 → GC 대상 아님
OOM (OutOfMemoryError)	GC가 해도 메모리가 부족하면 → 치명적 오류 발생
단편화	Mark-Sweep만 쓰면 Heap에 구멍 생김 → 큰 객체 할당 어려움

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🔎 가비지 컬렉터 선택 기준

Serial GC

• 단일 스레드로 동작하는 간단한 GC.
• 작은 애플리케이션(약 100MB 이하의 힙)을 실행하는 데 적합.
• 단일 프로세서 환경에서 적절한 성능을 제공.
• 왜? → 병렬 처리를 지원하지 않기 때문에 멀티코어 환경에서 비효율적일 수 있다.

Parallel GC

• 여러 개의 스레드를 활용하여 GC 작업을 병렬로 수행.
• 서버 환경에서 기본적으로 선택되는 GC.
• 짧은 응답 시간보다는 높은 처리량(Throughput)을 목표로 함.

G1 (Garbage-First) GC

• Java 9부터 기본 GC로 사용.
• 힙을 여러 개의 영역으로 나누고, 회수할 필요가 큰 영역을 우선적으로 정리.
• 낮은 지연 시간(Low Latency)과 일정한 응답 시간을 목표로 하는 애플리케이션에 적합.

ZGC 및 Shenandoah GC

• 매우 낮은 응답 시간을 목표로 하는 최신 GC.
• GC로 인한 정지 시간을 밀리초(ms) 단위로 최소화.
• 대규모 시스템 및 실시간 애플리케이션에 적합.

💡결론

• 작은 애플리케이션 → Serial GC
• 높은 처리량(Throughput) 요구 → Parallel GC
• 낮은 지연 시간(Low Latency) 요구 → G1 GC
• 초저지연(Real-time Low Latency) 요구 → ZGC, Shenandoah GC

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참고 문헌

• https://velog.io/@yereumi/Java-%EA%B3%B5%EC%8B%9D%EB%AC%B8%EC%84%9C%EB%A1%9C-%EA%B3%B5%EB%B6%80%ED%95%98%EB%8A%94-Garbage-Collection-Ch-1.-%EA%B0%80%EB%B9%84%EC%A7%80-%EC%BB%AC%EB%A0%89%EC%85%98-%ED%8A%9C%EB%8B%9D-%EC%86%8C%EA%B0%9C
• https://www.geeksforgeeks.org/how-jvm-works-jvm-architecture/
• https://docs.oracle.com/en/java/javase/21/gctuning/introduction-garbage-collection-tuning.html#GUID-223394DF-2E27-4F5D-A7DF-83151EB577BB