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File metadata and controls

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Java Garbage Collection (GC) 정리

📌 1. GC란?

Garbage Collection(GC)은 더 이상 참조되지 않는 객체를 자동으로 메모리에서 해제하여 메모리 누수 방지 및 자원 최적화를 도와주는 Java의 핵심 기능이다.

  • 목적: Heap 메모리 누수 방지, 개발자 부담 감소
  • 장점: 수동 메모리 관리 불필요
  • 단점: Stop-the-world로 인한 성능 이슈 발생 가능

🧠 2. Java 메모리 구조

2.1 전체 메모리 구조

  • Heap: 대부분의 객체가 저장되는 공간 (GC의 대상)
  • Stack: 각 스레드별 호출 스택, 지역 변수 저장
  • Method Area(Metaspace): 클래스 메타 정보 저장
  • Program Counter: 현재 실행 중인 명령어의 주소
  • Native Method Stack: C/C++ 등 네이티브 메서드용 스택

2.2 Heap 내부 구조

  • Young Generation: 새로 생성된 객체가 저장됨. GC가 자주 일어남
    • Eden: 객체 생성 시 최초 저장
    • Survivor 0/1: GC 이후 살아남은 객체가 임시 이동
  • Old Generation: Young에서 오래 살아남은 객체 저장
  • Metaspace: 클래스 메타정보 저장 (PermGen 대체, Java 8부터)

🔁 3. GC 동작 원리

3.1 Minor GC

  • Young Generation에만 적용
  • 비교적 빠름
  • 대부분의 객체는 이 단계에서 소멸

3.2 Major GC (Old GC)

  • Old Generation 대상으로 수행
  • 상대적으로 느림
  • 애플리케이션 일시 정지 발생 가능

3.3 Full GC

  • Heap 전체 및 Metaspace까지 모두 청소
  • 성능 저하 원인이 되기 쉬움

⚙️ 4. GC 알고리즘 종류 (상세 설명)

4.1 Serial GC

  • 특징: 단일 스레드로 GC 작업 수행 (Minor/Full GC 모두 단일 스레드)
  • 장점: 구현이 단순하여 오버헤드 적음
  • 단점: 멀티 코어 시스템에서 성능 미흡, 애플리케이션 정지 시간 길어짐
  • 적용 예시: 단일 스레드 환경 또는 소규모 테스트/개발 환경

4.2 Parallel GC (Throughput Collector)

  • 특징: 여러 스레드를 사용해 Young Generation과 Old Generation을 모두 병렬로 GC
  • 장점: Throughput(전체 처리량) 극대화
  • 단점: Stop-the-world 발생, 짧은 지연 시간 요구 환경에는 부적합
  • 적용 예시: 배치 처리, CPU 중심 애플리케이션, 백엔드 서버

4.3 CMS (Concurrent Mark-Sweep) GC

  • 특징: Old 영역에 대해 대부분의 작업을 애플리케이션 실행 중 백그라운드에서 수행
  • 단계:
    1. 초기 마킹 (STW)
    2. 마킹 (Concurrent)
    3. 리마킹 (STW)
    4. 스윕 (Concurrent)
  • 장점: 긴 정지 시간 방지
  • 단점: 메모리 단편화 발생, CPU 자원 소모 큼
  • Deprecated: Java 9부터 G1 GC로 대체 권장

4.4 G1 GC (Garbage First)

  • 특징: Heap을 고정된 크기의 Region으로 나누고, GC 효율이 높은 영역부터 우선 수거
  • 장점:
    • 짧고 예측 가능한 pause time
    • Full GC 빈도 낮음
    • Region 단위로 메모리 할당 및 수거 가능
  • 단점: Throughput은 ParallelGC보다 낮을 수 있음
  • 적용 예시: 대규모 애플리케이션, Pause Time 중요시하는 서비스

4.5 ZGC (Java 11 이상)

  • 특징: 초저지연 GC, 최대 수백 GB Heap까지 지원
  • 장점:
    • pause time < 10ms (고정)
    • 대부분의 GC 작업을 동시에 수행
  • 단점: JVM 버전 제약(Java 11 이상), 초기 도입 비용
  • 적용 예시: 대규모 금융 시스템, 게임 서버, 실시간 처리 시스템

4.6 Shenandoah GC

  • 특징: RedHat이 주도 개발, ZGC처럼 낮은 pause time 지향
  • 장점:
    • pause time < 10ms
    • Concurrent Compaction 지원 (ZGC는 미지원)
  • 단점: 운영환경에서 안정성 고려 필요
  • 적용 예시: Java 12 이상, 실시간 응답 시스템, Linux 기반 서비스

4.1 Serial GC

  • 단일 스레드로 GC 처리
  • Client 모드 또는 소규모 애플리케이션에 적합

4.2 Parallel GC (Throughput Collector)

  • 다중 스레드로 GC 수행
  • Throughput 최적화

4.3 CMS (Concurrent Mark Sweep) GC

  • Old Generation의 GC를 대부분 백그라운드로 수행
  • 낮은 응답시간 목표
  • Java 9부터 deprecated

4.4 G1 GC (Garbage First)

  • Region 기반 Heap 분할
  • Young/Old 영역 동적으로 관리
  • Pause Time 예측 가능

4.5 ZGC

  • 초저지연 GC (pause time < 10ms)
  • Java 11 이상
  • 수백 GB Heap에서도 효율적

4.6 Shenandoah

  • ZGC와 유사, RedHat 제공
  • Java 12 이상
  • 낮은 지연 지향

🛠️ 5. GC 튜닝 주요 옵션

5.1 GC 타입 설정

-XX:+UseSerialGC
-XX:+UseParallelGC
-XX:+UseG1GC
-XX:+UseZGC

5.2 Heap 사이즈 설정

-Xms512m        # 초기 힙 사이즈
-Xmx4g          # 최대 힙 사이즈

5.3 GC 로그 옵션

-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCDateStamps
-Xloggc:gc.log

✅ 6. 요약 정리

  • Java는 GC를 통해 자동 메모리 관리
  • Minor GC, Major GC, Full GC 개념 이해 중요
  • G1 GC, ZGC 등 선택 가능한 GC 다양
  • 애플리케이션 성격에 따라 GC 튜닝 필요

Q1. Java에서 GC가 필요한 이유는 무엇인가요?

A1. Java는 객체를 동적으로 생성하고 소멸하는 언어이기 때문에, 수동으로 메모리를 해제해야 한다면 개발자의 부담이 커지고 메모리 누수 가능성도 높아집니다. GC는 이러한 부담을 줄이고, 더 이상 사용되지 않는 객체를 자동으로 해제해 메모리 자원을 효율적으로 관리합니다.

Q2. Minor GC와 Major GC의 차이는?

A2. Minor GC는 Young Generation을 대상으로 하는 GC로, 짧은 주기로 자주 발생하며 속도가 빠릅니다. Major GC는 Old Generation을 대상으로 하며, 상대적으로 느리고 pause time이 길 수 있습니다. Major GC는 메모리 압박이 심해질 때 수행됩니다.

Q3. G1 GC는 어떻게 동작하나요?

A3. G1 GC는 Heap을 Region이라는 고정 크기 블록으로 나누고, GC 효율이 높은 영역부터 우선 수거하는 방식입니다. Young/Old 영역 구분 없이 Region 단위로 관리하며, Pause Time을 예측 가능하게 조정할 수 있는 것이 특징입니다.

Q4. GC 튜닝 시 어떤 지표를 참고하나요?

A4. 주요 지표는 다음과 같습니다:

  • GC 빈도 (Minor/Full GC 횟수)
  • GC 수행 시간 (Pause Time)
  • Heap 사용률 및 증가 추세
  • Throughput (총 실행 시간 중 GC를 제외한 비율)
  • 메모리 단편화 여부 (CMS 사용 시 중요)

Q5. ZGC와 G1 GC의 차이점은 무엇인가요?

A5. G1 GC는 pause time을 예측할 수 있으나 여전히 stop-the-world가 존재합니다. 반면 ZGC는 대부분의 GC 작업을 백그라운드에서 수행하며 pause time이 10ms 미만으로 고정되어 있습니다. 또한 ZGC는 더 큰 Heap (TB 단위)까지 효율적으로 관리할 수 있습니다.