[면접 대비] 가비지 컬렉션 알고리즘의 종류는?

가비지 컬렉션 알고리즘의 종류는?

자바와 같은 언어에서는 메모리 관리를 개발자가 직접 하지 않고, 가비지 컬렉션(GC)이라는 자동 메모리 관리 기능을 통해 수행합니다.

GC는 사용하지 않는 객체를 식별하고 해제하여 메모리 누수를 방지하는 중요한 역할을 합니다.

 

이 글에서는 GC의 기본 동작 원리와 주요 알고리즘, 각 알고리즘의 특징과 적합한 사용 환경, 그리고 Heap 영역과의 관계를 설명하고, 면접에서 나올 수 있는 질문과 답변을 살펴보겠습니다.

 

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가비지 컬렉션의 동작 원리

가비지 컬렉션은 JVM이 실행되는 동안 Heap 영역에 할당된 객체들 중 더 이상 참조되지 않는 객체들을 자동으로 찾아 메모리에서 제거합니다.

주요 동작 과정은 다음과 같습니다.

• 객체 할당
  객체는 Heap 영역에 할당됩니다.
• 객체 참조 추적
  JVM은 각 객체에 대한 참조를 추적하여, 어떤 객체가 여전히 사용되고 있는지 판단합니다.
  여기에는 스택, 정적 필드, JNI 참조 등이 포함됩니다.
• 가비지 식별
  참조되지 않는 객체(즉, 더 이상 필요하지 않은 객체)를 '가비지'로 식별합니다.
• 메모리 회수
  가비지 객체를 메모리에서 해제하여, 새로운 객체를 위한 공간을 마련합니다.

이러한 과정은 애플리케이션의 실행을 중단시키는 "Stop-The-World" 이벤트를 포함할 수 있으며, GC 알고리즘에 따라 중단 시간과 효율성이 달라집니다.

Stop-The-World (STW): GC가 실행되는 동안 애플리케이션의 모든 작업이 일시 중단되는 현상

 

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가비지 컬렉션 알고리즘 및 특징

다양한 GC 알고리즘이 존재하며, 각 알고리즘은 Heap의 구조와 애플리케이션의 요구사항에 맞춰 최적화되어 있습니다.

대표적인 알고리즘은 다음과 같습니다.

1) Serial GC (단일 스레드 GC)

단일 스레드가 GC 작업 전체를 수행합니다.

 

단순한 알고리즘으로 오버헤드가 적고, 구현이 쉽습니다.

모든 작업이 한 스레드에서 처리되므로, Stop-The-World 중단 시간이 길어질 수 있습니다.

• 적합한 환경
  • 단일 CPU 환경이나 작은 규모의 애플리케이션
  • 데스크탑 애플리케이션 또는 개발 및 테스트 환경
  • 작은 Heap 크기를 가진 경우
• 장점
  • GC 알고리즘이 단순하여 예측 가능하고, 튜닝이 어렵지 않습니다.
• 단점
  • 단일 스레드로 작업하기 때문에 멀티코어를 활용하지 못하고, 대규모 시스템에는 부적합합니다.

 

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2) Parallel GC (Throughput Collector)

여러 스레드를 사용하여 병렬로 GC 작업을 수행합니다.
대부분의 GC 작업이 Stop-The-World 이벤트 동안 병렬로 실행됩니다.

 

높은 처리량(Throughput)을 목표로 하며, 멀티코어 시스템에서 유리합니다.

상대적으로 긴 중단 시간이 발생할 수 있으나, 전체 애플리케이션 처리율을 높이는 데 초점을 맞춥니다.

• 적합한 환경
  • 멀티코어 서버 및 대규모 애플리케이션
  • 배치 처리나 대량의 데이터를 처리하는 시스템
• 장점
  • 병렬 처리를 통해 전체 GC 처리량을 높이고, CPU 리소스를 효율적으로 활용합니다.
• 단점
  • Stop-The-World 시간은 길어질 수 있으며, 실시간 응답성이 중요한 시스템에는 적합하지 않을 수 있습니다.

 

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3) Concurrent Mark Sweep (CMS) GC

대부분의 GC 작업(마크 및 스윕)을 애플리케이션 스레드와 동시에(concurrent) 수행합니다.

마지막 단계에서만 짧은 중단(Pause)이 발생합니다.

 

짧은 중단 시간(Pause Time)을 유지하여 응답성이 중요한 애플리케이션에 적합하며 GC 작업을 병렬로 수행하므로 추가적인 CPU 자원을 사용합니다.

Old Generation의 메모리 단편화(Fragmentation) 문제가 발생할 수 있으며, Fragmentation을 해결하기 위해 추가적인 Full GC가 필요할 수 있습니다.

• 적합한 환경
  • 웹 서버, 실시간 응답이 중요한 애플리케이션
  • 사용자가 많고, 응답 시간이 중요한 시스템
• 장점
  • 애플리케이션 중단 시간을 최소화하여 사용자 경험을 개선합니다.
• 단점
  • 추가 CPU 자원을 소모하고, 메모리 단편화로 인한 문제 발생 가능성이 있습니다.

Fragmentation: Heap 영역에서 메모리 단편화로 인한 비효율적인 메모리 사용

 

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4) G1 GC (Garbage First)

Heap을 여러 개의 Region으로 나눈 후, 가장 많은 가비지를 포함한 Region부터 우선적으로 수집하는 방식입니다.

 

예측 가능한 Pause Time을 제공하며, 대용량 Heap 환경에 최적화되어 있고

Young Generation과 Old Generation을 한 번에 관리하며, Region 단위로 GC 작업을 수행합니다.

튜닝이 복잡하고, 시스템 환경에 따라 성능이 크게 달라질 수 있습니다.

• 적합한 환경
  • 대규모 서버 애플리케이션, 데이터베이스 서버 등
  • Heap 크기가 크고, 예측 가능한 응답 시간이 필요한 시스템
• 장점
  • 비교적 긴 Pause Time을 줄이고, 메모리 회수율을 높입니다.
• 단점
  • 설정과 튜닝이 복잡하며, 잘못 설정하면 예측 불가능한 성능 저하가 발생할 수 있습니다.

 

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5) 최신 GC 알고리즘: ZGC와 Shenandoah

ZGC와 Shenandoah는 최신 GC 알고리즘으로, Heap 압축과 같은 기법을 통해 매우 짧은 중단 시간을 목표로 합니다.

 

대용량 Heap에서도 거의 무중단에 가까운 Pause Time을 제공하고

메모리 단편화 문제를 효과적으로 해결하며, 현대 서버 환경에 최적화되어 있습니다.

• 적합한 환경
  • 실시간성이 극도로 중요한 애플리케이션, 매우 큰 Heap을 사용하는 시스템
• 장점
  • 최소한의 중단 시간으로 고성능을 유지할 수 있습니다.
• 단점
  • 아직은 새로운 기술이므로, 일부 환경에서 안정성이나 호환성 문제가 있을 수 있습니다.

 

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Heap 영역과 GC 알고리즘

JVM의 Heap은 크게 Young Generation, Old Generation, 그리고 (옵션으로) Permanent/Metaspace 영역으로 나뉩니다.

• Young Generation
  새로 생성된 객체들이 위치하며, Minor GC가 자주 발생합니다.
• Old Generation
  Young Generation에서 살아남은 객체들이 이동하는 영역으로, Major GC 또는 Full GC가 발생합니다.
• Metaspace
  클래스 메타데이터를 저장하는 영역으로, GC의 대상은 아닙니다.

각 GC 알고리즘은 이러한 영역의 특성을 고려하여 최적화되어 있으며, 예를 들어 CMS는 Old Generation에서 짧은 중단 시간을 목표로, Parallel GC는 전체 Throughput을 극대화하도록 설계되었습니다.

Minor GC: Young Generation에서 발생하는 짧은 Pause를 유발하는 GC

Full GC (또는 Major GC): 전체 Heap(Young + Old Generation)을 대상으로 수행되는 GC로, 중단 시간이 상대적으로 길며, 메모리 단편화를 줄이기 위해 실행됩니다.

 

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면접 대비: 예상 꼬리 질문 및 답변

면접에서는 GC 알고리즘의 동작 원리, 각 알고리즘의 특징 및 적합한 환경, 그리고 Heap 영역과의 관계에 대해 구체적인 질문이 나올 수 있습니다.

 

 

Q1. 가비지 컬렉션의 기본 동작 원리와 그 중요성에 대해 설명해 주세요.

모범 답변:
"가비지 컬렉션은 JVM에서 Heap 영역에 할당된 객체 중 더 이상 참조되지 않는 객체를 자동으로 식별하고 메모리에서 해제하는 과정입니다.

이를 통해 메모리 누수를 방지하고, 새로운 객체를 위한 메모리 공간을 확보합니다.

GC는 Stop-The-World 이벤트를 포함할 수 있어 응답 시간에 영향을 주지만, 올바르게 튜닝하면 개발자가 직접 메모리 관리를 하지 않아도 되므로 개발 생산성을 높여줍니다."

 

 

Q2. Serial GC, Parallel GC, CMS GC, G1 GC의 주요 차이점과 각각의 적합한 사용 사례에 대해 설명해 주세요.

"Serial GC는 단일 스레드를 사용하여 간단하게 GC 작업을 수행하며, 작은 Heap과 단일 CPU 환경에 적합합니다.

Parallel GC는 여러 스레드를 활용해 Throughput을 극대화하므로 멀티코어 서버 환경에서 유리합니다.

CMS GC는 응답 시간을 최소화하기 위해 대부분의 작업을 애플리케이션 스레드와 동시에 처리하지만, 조각화 문제가 있을 수 있습니다.

G1 GC는 Heap을 여러 영역으로 분할해 예측 가능한 Pause Time을 제공하며, 대규모 서버와 대용량 Heap 환경에 최적화되어 있습니다.

각 알고리즘은 시스템 요구사항과 트래픽 특성에 따라 선택되어야 합니다."

 

 

Q3. GC가 Heap의 Young Generation과 Old Generation에서 어떻게 작동하는지 설명해 주세요.

"Heap은 Young Generation과 Old Generation으로 나뉩니다.

Young Generation은 새로 생성된 객체들이 위치하는 영역으로, Minor GC가 자주 발생하여 빠른 회수가 이루어집니다.

살아남은 객체들은 Old Generation으로 이동하며, 이 영역에서는 Major GC 또는 Full GC가 발생하여 보다 긴 중단 시간이 발생할 수 있습니다.

각 GC 알고리즘은 이 두 영역의 특성을 고려하여 효율적으로 메모리를 회수하도록 설계되어 있습니다."

 

 

Q4. 최신 GC 알고리즘인 ZGC나 Shenandoah의 특징과 기존 GC와의 차이점을 설명해 주세요.

"ZGC와 Shenandoah는 매우 짧은 Pause Time을 목표로 설계된 최신 GC 알고리즘입니다.

이들은 대용량 Heap에서도 거의 무중단에 가까운 성능을 제공하며, 기존의 CMS나 G1 GC보다 훨씬 짧은 중단 시간을 유지합니다.

또한, 메모리 단편화 문제를 효과적으로 해결하여, 고성능 서버 환경에서 더욱 안정적인 응답 시간을 보장합니다."

 

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정리

가비지 컬렉션은 메모리 관리를 자동화하여 개발 생산성을 높이는 동시에, 애플리케이션의 성능과 안정성을 유지하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

• 동작 원리: 객체의 참조를 추적하여 더 이상 사용되지 않는 객체를 식별하고 메모리에서 회수합니다.
• 주요 알고리즘: Serial, Parallel, CMS, G1 GC 등 각 방식은 Heap의 구조와 애플리케이션 요구사항에 따라 선택됩니다.
• 적용 환경: 작은 애플리케이션에서는 Serial GC, 멀티코어 서버에서는 Parallel GC, 응답 시간이 중요한 시스템에서는 CMS, 대용량 Heap에서는 G1 GC 또는 최신 ZGC/Shenandoah가 적합합니다.