[Java] JVM Garbage Collection 구조와 Promotion(승격) 조건

1. JVM Garbage Collection(GC)이란?

Garbage Collection(GC)은 자바의 메모리 관리 기법 중 하나로, 힙(Heap) 영역에서 더 이상 참조되지 않는 객체들을 찾아 메모리에서 해제하는 과정을 의미합니다. C나 C++ 과 달리 개발자가 직접 메모리를 해제할 필요가 없으며, JVM이 자동으로 관리해줍니다.

GC의 장점

• 메모리 누수 방지: 프로그래머의 실수로 인한 메모리 누수를 자동으로 방지
• 개발 생산성 향상: 메모리 관리에 신경 쓰지 않고 비즈니스 로직에만 집중
• 안정성 보장: 메모리 부족으로 인한 프로그램 정지 위험을 감소

GC의 단점

• GC 중단시간(Stop-The-World): GC 실행 중 모든 애플리케이션 스레드가 중단
• 성능 저하: GC로 인한 CPU 사용률 증가
• 예측 불가능성: GC 발생 시점을 미리 예측하기 어려움

 

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2. JVM 힙 메모리 구조

JVM의 힙 영역은 객체의 생존 기간에 따라 크게 Young Generation과 Old Generation으로 나뉩니다.

┌─────────────────────────────────────────────────┐
│              JVM Heap 메모리                    │
├─────────────────────────────────────────────────┤
│                                                 │
│  ┌──────────────────────┐  ┌───────────────┐    │
│  │   Young Generation   │  │ Old           │    │
│  │   (Young Gen)        │  │ Generation    │    │
│  │                      │  │ (Old Gen)     │    │
│  │ ┌────────┐ ┌────────┐│  │               │    │
│  │ │ Eden   │ │Survivor││  │               │    │
│  │ │Space   │ │Spaces  ││  │               │    │
│  │ │        │ │S0 / S1 ││  │               │    │
│  │ └────────┘ └────────┘│  │               │    │
│  └──────────────────────┘  └───────────────┘    │
│                                                 │
└─────────────────────────────────────────────────┘

Young Generation (Young Gen)

• 새로 생성된 객체들이 할당되는 영역
• 전체 힙의 약 10-30% 차지
• 대부분의 객체가 이 영역에서 사라짐
• 세 개의 하위 영역으로 구성:
  • Eden Space: 새로운 객체가 생성되는 공간
  • Survivor Space 0 (S0): 첫 번째 생존자 영역
  • Survivor Space 1 (S1): 두 번째 생존자 영역

Old Generation (Old Gen)

• Young Gen에서 오래 생존한 객체들이 이동하는 영역
• 전체 힙의 약 60-90% 차지
• GC가 덜 빈번하게 실행됨

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3. Minor GC vs Major GC

GC는 발생하는 영역에 따라 크게 두 가지로 구분됩니다.

Minor GC

• 발생 지점: Young Generation
• 특징:
  • 객체가 처음 생성되는 Eden 영역이 꽉 차면 발생합니다.
  • 상대적으로 속도가 매우 빠릅니다.
  • 살아남은 객체는 Survivor 영역으로 이동하며, 이 과정을 반복하며 생존 기간을 기록합니다.

Major GC (Full GC)

• 발생 지점: Old Generation
• 특징:
  • Old 영역의 메모리가 부족해지면 발생합니다.
  • Minor GC보다 훨씬 오래 걸립니다.
  • Stop-the-world 현상이 발생하여, GC를 실행하는 스레드를 제외한 모든 애플리케이션 스레드가 중단됩니다.

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4. Minor 영역에서 Major 영역으로의 승격(Promotion)

객체가 Young Generation에서 Old Generation으로 옮겨가는 과정을 Promotion(승격)이라고 부릅니다. 이 과정은 어떻게 결정될까요?

1. Age bit의 누적: Young 영역의 Survivor 공간에서 객체가 살아남을 때마다 객체 헤더의 age 값이 1씩 증가합니다.
   • 새로운 객체 생성:
     ├─ Eden Space (Age: 0)
   • 1차 Minor GC 후:
     ├─ Survivor S0 (Age: 1) ← 살아남은 객체
   • 2차 Minor GC 후:
     ├─ Survivor S1 (Age: 2) ← S0에서 생존한 객체
   • 3차 Minor GC 후:
     ├─ Survivor S0 (Age: 3) ← S1에서 생존한 객체
     
     ...
     
     
   • Age >= Threshold (보통 15)에서:
     ├─ Old Generation ← 승격!
     
2. MaxTenuringThreshold: JVM은 이 age 값이 특정 기준(Threshold)에 도달하면 해당 객체가 "오래 살아남을 객체"라고 판단합니다.
3. 이동: 기준치를 넘긴 객체는 비로소 Old Generation으로 복사(Promotion)됩니다.

참고: 너무 큰 객체가 생성되어 Eden 영역에 담기지 않을 경우, 바로 Old 영역으로 할당되기도 합니다.

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5. 결론

GC가 자동으로 메모리를 관리해 주지만, Major GC가 빈번하게 발생하거나 길어지면 서비스 응답 속도가 떨어지는 성능 저하를 초래합니다. 따라서 적절한 힙 크기 설정과 서비스 특성에 맞는 GC 알고리즘(G1, ZGC 등) 선택이 중요합니다.