JVM(Java Virtual Machine)과 자바 가비지 컬렉션(GC)

목차

JVM(Java Virtual Machine)과 자바 가비지 컬렉션(GC)

자바 프로그램을 실행할 수 있도록 돕는 핵심 기술 중 하나는 **JVM (Java Virtual Machine)**입니다. JVM은 자바 코드가 다양한 운영체제에서 실행될 수 있도록 해주는 가상 머신이죠. 그리고 자바 프로그램이 메모리를 효율적으로 관리할 수 있도록 도와주는 가비지 컬렉션(Garbage Collection, GC) 역시 중요한 역할을 합니다. 이 글에서는 JVM과 자바 가비지 컬렉션의 원리와 동작 방식에 대해 자세히 알아보겠습니다.

1. JVM(Java Virtual Machine): 자바의 실행 엔진

JVM은 자바 애플리케이션이 실행되는 환경을 제공합니다. 자바는 소스 코드(.java 파일)를 바이트코드(.class 파일)로 변환한 뒤, JVM이 이를 실행합니다. 이때, JVM은 바이트코드를 읽고 이를 호스트 시스템의 운영체제에 맞게 변환하여 실행합니다. 이 과정 덕분에 자바는 다양한 플랫폼에서 동일하게 실행될 수 있습니다.

1.1 JVM의 주요 구성 요소

JVM은 크게 클래스 로더, 런타임 데이터 영역, 실행 엔진으로 구성됩니다.

클래스 로더는 클래스 파일(.class)을 메모리에 로드하고 링크 및 초기화를 수행합니다. 런타임 데이터 영역은 JVM 실행 중 데이터를 저장하는 공간으로, 메소드 영역, 힙 영역, 스택 영역, PC 레지스터, 네이티브 메소드 스택 등으로 구성됩니다. 실행 엔진은 바이트코드를 실제 실행하는 역할을 하며, 인터프리터와 JIT 컴파일러를 포함합니다.

• 클래스 로더 (Class Loader):
  • 자바 클래스 파일을 메모리에 로드하는 역할을 담당합니다. 클래스 로더는 자바 애플리케이션이 실행될 때 자동으로 로드되며, 클래스 파일을 읽고, 검증하고, 준비하는 작업을 수행합니다.
• 런타임 데이터 영역 (Runtime Data Area):
  • 자바 프로그램이 실행되는 동안 JVM이 사용하는 메모리 영역입니다. 주요 영역은 메소드 영역, 힙 영역, 스택 영역, PC 레지스터 등으로 나뉩니다.
  1. 메소드 영역 (Method Area):
     • 클래스, 메소드 정보, 상수 풀 등을 저장하는 영역입니다. JVM의 여러 쓰레드가 공유하는 메모리 공간입니다.
  2. 힙 영역 (Heap Area):
     • 객체들이 동적으로 할당되는 메모리 영역입니다. 가비지 컬렉션의 대상이 되는 공간입니다.
  3. 스택 영역 (Stack Area):
     • 각 쓰레드에서 메소드 호출 시 생성되는 로컬 변수와 메소드 호출 스택 정보를 저장하는 영역입니다.
  4. PC 레지스터 (Program Counter Register):
     • 현재 실행 중인 명령어의 주소를 저장하는 작은 메모리 영역입니다.
  5. 네이티브 메소드 스택 (Native Method Stack):
     • 자바 외의 언어(C, C++ 등)로 작성된 네이티브 메소드를 실행하는 데 사용되는 메모리 영역입니다.
• JIT 컴파일러 (Just-In-Time Compiler):
  • 자바 바이트코드를 네이티브 코드로 변환하여 실행 성능을 높입니다. 자주 호출되는 코드가 네이티브 코드로 변환되어 성능을 최적화합니다.
• 가비지 컬렉터 (Garbage Collector):
  • 자바의 메모리 관리 시스템의 핵심입니다. 사용되지 않는 객체를 자동으로 정리하여 메모리 누수를 방지하고, 효율적인 메모리 관리를 돕습니다.

2. 자바 가비지 컬렉션 (GC)

자바에서 메모리 관리는 개발자가 아닌 가비지 컬렉터(GC)가 자동으로 처리합니다. 객체가 더 이상 사용되지 않으면, 가비지 컬렉터가 이를 식별하고 메모리에서 제거하는 방식으로 자동 메모리 관리를 구현합니다. 이를 통해 개발자는 메모리 관리에 대한 부담을 덜 수 있습니다.

GC는 자바 프로그램에서 더 이상 사용되지 않는 객체를 자동으로 정리하는 기능입니다. C, C++과 달리 Java는 명시적인 메모리 해제(free(), delete)가 필요하지 않으며, JVM이 GC를 통해 자동으로 메모리를 관리합니다.

2.1 가비지 컬렉션의 기본 원리

자바의 가비지 컬렉션은 크게 참조 카운팅과 트라이 컬렉션 방식으로 나눌 수 있습니다.

• 참조 카운팅 (Reference Counting):
  • 객체가 몇 번 참조되고 있는지를 세어, 참조가 0이 되면 객체를 가비지로 간주하여 메모리에서 해제합니다. 하지만 순환 참조 문제를 해결할 수 없습니다.
• 트라이 컬렉션 (Tracing Collection):
  • 루트 객체부터 시작하여 살아있는 객체들을 추적하고, 더 이상 참조되지 않는 객체를 가비지로 식별하는 방식입니다. Mark-and-Sweep이 대표적인 방법입니다.

2.2 가비지 컬렉션의 주요 단계

1. 마크 (Mark):
   • 프로그램에서 루트 객체로부터 시작해 참조 가능한 객체를 모두 마킹합니다.
2. 스위프 (Sweep):
   • 마킹되지 않은 객체들은 더 이상 사용되지 않는 객체로 간주하여 메모리에서 해제합니다.
3. 컴팩션 (Compaction):
   • 메모리 단편화 문제를 해결하기 위해, 스위프 후 남은 빈 공간을 압축하여 메모리를 효율적으로 사용합니다.

3. JVM의 힙(Heap) 구조 및 GC 작동 과정

자바 가비지 컬렉션의 작동 과정은 매우 중요한 부분입니다. 객체의 생애 주기에 따라 어떻게 가비지 컬렉션이 진행되는지 이해하는 것이 성능 최적화에 도움이 됩니다.

 

자바의 힙 영역은 Young Generation과 Old Generation으로 나뉩니다. Young Generation은 Eden 영역과 두 개의 Survivor 영역(S0, S1)으로 구성되며, 새로운 객체가 먼저 Eden에 할당됩니다. Eden이 가득 차면 Minor GC가 발생하여 살아남은 객체는 Survivor 영역으로 이동하고, 일정 횟수 이상 살아남은 객체는 Old Generation으로 승격됩니다. Old Generation이 가득 차면 Major GC(Full GC)가 발생하여 불필요한 객체를 제거합니다.

GC Flow는 다음과 같은 과정으로 진행됩니다:

1. 객체 생성: Eden 영역에 객체가 할당됩니다.
2. Minor GC 실행: Eden이 가득 차면 GC가 실행되고, 살아남은 객체는 Survivor 영역으로 이동합니다.
    (Young Generation에 있는 객체들만 대상으로 하는 가비지 컬렉션입니다. 자주 발생하지만, 빠르게 수행되므로 응답 성능에 미치는 영향이 적습니다.)
3. Survivor 영역 이동: Survivor 영역에 남아 있는 객체는 일정 횟수 이상 생존하면 Old Generation으로 이동합니다.
4. Major GC 실행: Old Generation이 가득 차면 Major GC가 실행되며, 불필요한 객체를 정리합니다.
   (Old Generation에 있는 객체들에 대해 가비지 컬렉션이 진행됩니다. 이는 Full GC라고도 하며, 더 많은 시간과 리소스를 소모합니다. 이 단계에서는 응답 시간이 길어질 수 있습니다.)
5. GC 완료 후 메모리 정리: GC 실행 후 사용 가능한 메모리가 확보됩니다.

4. 가비지 컬렉션의 종류

자바에서 가비지 컬렉션을 관리하는 데에는 여러 가지 알고리즘이 있습니다. JVM은 여러 가지 가비지 컬렉터를 제공하며, 이들은 특정 상황에 맞춰 성능을 최적화할 수 있습니다.

1. Serial Garbage Collector:
   • 단일 쓰레드로 동작하는 가장 간단한 형태의 가비지 컬렉터입니다. 작은 애플리케이션에서 유용하게 사용됩니다.
2. Parallel Garbage Collector:
   • 멀티 쓰레드를 활용하여 여러 개의 가비지 컬렉션 작업을 동시에 처리합니다. 대규모 애플리케이션에서 성능을 높이는 데 유용합니다.
3. CMS (Concurrent Mark-Sweep) Collector:
   • Stop-the-world 시간을 최소화하여 애플리케이션의 응답성을 높입니다. 멀티 쓰레드를 활용해 가비지 컬렉션을 동시에 처리합니다.
4. G1 Garbage Collector:
   • 최신 가비지 컬렉터로, 예측 가능한 응답 시간을 제공하며, 대규모 애플리케이션에서 뛰어난 성능을 발휘합니다. 메모리 할당이 고르게 분배되며, 큰 힙 공간에서도 효율적인 가비지 컬렉션을 할 수 있습니다.

5.GC 튜닝 및 모니터링 방법

GC 튜닝을 통해 애플리케이션의 성능을 향상시킬 수 있으며, 모니터링을 통해 문제가 발생하기 전에 최적의 상태를 유지할 수 있습니다.

5.1 GC 로그 분석

GC의 동작을 이해하고 최적화하려면 GC 로그를 분석하는 것이 중요합니다. -XX:+PrintGCDetails 또는 -Xlog:gc* 옵션을 사용하여 GC 로그를 출력하면 GC 실행 빈도, 정리된 메모리 크기, STW(Stop-The-World) 시간 등을 확인할 수 있습니다.

5.2 Heap 크기 조정

애플리케이션의 특성에 맞게 힙 크기를 설정하면 성능을 최적화할 수 있습니다. -Xms(초기 힙 크기)와 -Xmx(최대 힙 크기) 옵션을 조정하여 불필요한 GC 발생을 줄일 수 있습니다. 일반적으로 -Xms와 -Xmx 값을 동일하게 설정하면 힙 크기 변경에 따른 오버헤드를 줄일 수 있습니다.

5.3 GC 알고리즘 선택

JVM은 다양한 GC 알고리즘을 제공하며, 애플리케이션 특성에 따라 적절한 알고리즘을 선택해야 합니다.

• Serial GC (-XX:+UseSerialGC): 단일 스레드 환경에서 적합한 기본 GC
• Parallel GC (-XX:+UseParallelGC): 다중 스레드를 활용하여 GC 성능 향상
• G1 GC (-XX:+UseG1GC): 짧은 STW 시간을 보장하는 최신 GC
• ZGC (-XX:+UseZGC): 낮은 지연 시간(로우 레이턴시)이 중요한 시스템에서 사용

5.4 객체 생성 패턴 최적화

불필요한 객체 생성을 줄이고 객체를 재사용하는 것이 중요합니다. 가능하면 StringBuilder를 활용하여 문자열 연결을 수행하고, 캐싱을 활용하여 동일한 객체를 반복적으로 생성하는 것을 방지해야 합니다.

5.5 GC 스레드 수 조정

멀티코어 환경에서는 GC 스레드 수를 조정하여 성능을 최적화할 수 있습니다. -XX:ParallelGCThreads=N 옵션을 사용하여 GC 병렬 처리 성능을 높일 수 있습니다.

5.6 모니터링 도구 활용

GC 성능을 분석하고 튜닝하기 위해 다양한 모니터링 도구를 활용할 수 있습니다.

• JVisualVM: JVM 내부 상태를 실시간으로 분석할 수 있는 GUI 기반 도구
• JConsole: GC 활동 및 CPU 사용량을 모니터링할 수 있는 도구
• Java Flight Recorder(JFR): 낮은 오버헤드로 GC 및 애플리케이션 성능을 추적
• Grafana + Prometheus: 실시간 성능 데이터 시각화를 위한 대시보드 제공

6. 가비지 컬렉션과 성능

가비지 컬렉션은 자바 프로그램에서 자동 메모리 관리를 가능하게 하지만, 그 과정에서 **애플리케이션의 일시 정지 (Stop-the-world)**가 발생할 수 있습니다. 이러한 일시 정지는 프로그램의 성능에 영향을 줄 수 있기 때문에, 적절한 가비지 컬렉터의 선택과 힙 크기 조정 등을 통해 성능 최적화를 할 수 있습니다. 이를 통해 애플리케이션의 응답 시간을 줄이고, 메모리 관리의 효율성을 높일 수 있습니다.

 

자바의 JVM과 가비지 컬렉션은 자바 프로그램의 메모리 관리와 실행 성능에 매우 중요한 역할을 합니다. JVM은 자바 프로그램의 플랫폼 독립성을 보장하고, 가비지 컬렉션은 개발자가 메모리 관리를 신경 쓰지 않도록 돕습니다. 그러나 가비지 컬렉션의 성능 최적화는 애플리케이션의 성능에 중요한 영향을 미칠 수 있으므로, 개발자는 이를 잘 이해하고 적절히 활용해야 합니다.

이번 글에서 다룬 JVM과 가비지 컬렉션의 이해는 자바 개발자에게 큰 도움이 될 것입니다. 다양한 가비지 컬렉터와 튜닝 기법을 활용하여 성능을 최적화하고, 자바 애플리케이션을 더욱 효율적으로 관리해 보세요.