주요 GC 알고리즘

1. Serial GC

• 단일 스레드로 동작하며 모든 애플리케이션 스레드를 중단(stop-the-world) 한 스레드가 메모리를 정리
• 주로 메모리가 작거나 단일 코어 환경에서 사용한다.

2. Parallel GC

• 여러 개의 GC 스레드를 통해 stop-the-world 를 빠르게 처리
• 오래된 Java(8 이하)에서 기본 GC로 많이 쓰였으며, 현재도 고성능 환경에서 선호될 수 있음

3. CMS(Concurrent Mark-Sweep)

• 애플리케이션과 병렬적으로 안쓰는 메모리를 수거했다.
• Java 8버전에서 주로 사용했으며 이후 Java 9부터는 G1 버전 사용

CMS의 단편화 이슈

CMS는 힙(old)을 Mark & Sweep 알고리즘 방식으로만 회수하기 때문에 사용이 끝난 객체 영역을 연속적으로 압축하진 못한다.

그 결과 메모리 단편화가 누적되면 새 객체 할당 시 큰 연속 공간을 찾기 아려워지고 결국 Full GC(Stop-the-world)로 이어져서 성능이 떨어진다.

4. G1(Garbage-First) GC

• Java 9부터 기본 GC
• 힙을 region(영역) 단위로 나누어, 이용률이 낮은 영역부터 우선적으로 수집한다.
• Stop-the-world 시간을 예측 가능하게 줄이는데 중점
• 범용 GC로서 Java 8 ~ 11까지 사용

G1의 Pause 이슈

G1에서 Stop-the-world 시간을 짧게 유지하려고하는데 예상치 못하게 긴 Pause가 발생하는 경우

1) Evacuation Pause에서의 병목

• Evacuation(객체 이동) 단계는 대부분 Stop-the-world(STW) 형태로 진행됩니다.
• G1은 Marking은 상당 부분 동시(Concurrent)로 수행할 수 있지만, 정리(Evacuate) 단계에서 객체를 새 Region으로 옮길 때 애플리케이션 스레드를 일시 중단
• 힙이 매우 커지거나 Old 영역에 객체가 많이 쌓인 경우, 이 Evacuation이 길어지면 Pause가 늘어날 수 있다.

2) To-space Exhausted(대상 영역 부족)

• Evacuation 중, 복사할 객체를 담을 “새 Region(‘to-space’)”이 충분치 않다면, G1은 즉시 Full GC 모드로 전환할 수 있다.
• Full GC는 단일 스레드 Serial 방식으로 전체 힙을 정리하므로, Pause가 급격히 길어지는 최악의 시나리오가 된다.

3) Mixed GC에서 Old 영역 처리량 부족

• G1은 Young 수집과 달리, Old 영역의 객체가 많을수록 Mixed GC 사이클에서 처리해야 할 Region이 늘어난다.
• 동시 마크 단계와 STW로 진행되는 처리 단계(cleanup, selective evacuation)가 균형을 못 맞추면, “목표 Pause 시간을 초과”하는 상황이 발생할 수 있다.

4) Marking이 지연되어 “Concurrent Cycle”이 밀릴 때

• G1의 Concurrent Mark가 애플리케이션 스레드와 병행되지만, CPU가 부족하거나 객체 그래프가 복잡하면 마크가 늦어지고, 다음 Young GC가 트리거될 때 “아직 Old 영역 어떤 객체가 살아있는지 모름 → 예기치 않은 추가 작업”이 발생해 Pause가 증가할 수 있다.

5. ZGC

• 아주 낮은 지연시간을 목표로 설계된 GC로서 대용량 힙과 초저지연 연산을 지원한다.
• Java 11에서 처음 도입
• Java 15에서 정식 도입
• 동시(Concurrent)로 대부분을 처리하여 Stop-the-world 를 수 밀리초 수준으로 억제

6. Shenandoah(셰넌도어)

• 저지연 GC(Concurrent+ Region 기반)
• '큰 GC 작업을 적은 횟수로 수행하는 것보다 작은 GC 작업을 여러번 수행하는게 더 좋다'는 개념을 적용해 만들어진 GC
  • 작은 단위의 GC수행을 자주하기 때문에 Concurrency를 보장한다.
  • GC가 CPU를 더 사용하는 대신 pause 시간을 줄인다.

Shenandoah의 특징

• 기존 CMS가 가진 단편화, G1이 가진 Pause 이슈를 해결했다.
• 강력한 Concurrency와 가벼운 GC 로직으로 Heap 사이즈에 영향을 받지 않고 일정한 Pause 시간이 소요된다.

Single-Generational

Shenandoah GC는 G1 GC를 기반으로 만들어졌다.

heap을 region 별로 나누고 mark-seep & evacuation을 진행한다. 그러나 Shenandoah GC는 G1 GC와 다르게 Generation으로 영역을 나누지 않는다. Generation을 나누게 되면 영역을 나누고 evacuation과정에서 메모리 copy가 계속 발생한다. 그러나 Generation이 나누어지지 않으면 memory copy에 대한 비용이 없어지게 되어 더 효율적

GC는 왜 메모리를 여러 영역으로 나눌까?

• 대부분의 객체는 생성 후 얼마 안되어 사용이 끝나지만, 반대로 한 번 오래 살아남은 객체는 상대적으로 계속살아남는다.
• 그렇기에 이특성을 활용해서 young 과 old 로 분리해 관리하면 전체 GC 성능을 크게 높일 수 있다.

Shenandoah GC의 동작 과정

1. Initial Marking
2. Concurrent Marking
3. Final Marking
4. Concurrent Compaction

pause후 root set을 스캔하고 Java 스레드와 동시에 marking을 수행한다. 그 이후 한번 더 pause를 수행하여 final marking을 수행하고 압축 마지막 단계에서 marking된 객체들을 제거. 전체적인 흐름은 CMS GC와 비슷하다.ㅌ