NHN Business Platform 웹플랫폼개발랩 박세훈

Java의 가비지 컬렉터(Garbage Collector)는 그 동작 방식에 따라 매우 다양한 종류가 있지만 공통적으로 크게 다음 2가지 작업을 수행한다고 볼 수 있습니다.

  1. 힙(heap) 내의 객체 중에서 가비지(garbage)를 찾아낸다.
  2. 찾아낸 가비지를 처리해서 힙의 메모리를 회수한다.

최초의 Java에서는 이들 가비지 컬렉션(Garbage Collection, 이하 GC) 작업에 애플리케이션의 사용자 코드가 관여하지 않도록 구현되어 있었습니다. 그러나 위 2가지 작업에서 좀 더 다양한 방법으로 객체를 처리하려는 요구가 있었습니다. 이에 따라 JDK 1.2부터는 java.lang.ref 패키지를 추가해 제한적이나마 사용자 코드와 GC가 상호작용할 수 있게 하고 있습니다.

java.lang.ref 패키지는 전형적인 객체 참조인 strong reference 외에도 soft, weak, phantom 3가지의 새로운 참조 방식을 각각의 Reference 클래스로 제공합니다. 이 3가지 Reference 클래스를 애플리케이션에 사용하면 앞서 설명하였듯이 GC에 일정 부분 관여할 수 있고, LRU(Least Recently Used) 캐시 같이 특별한 작업을 하는 애플리케이션을 더 쉽게 작성할 수 있습니다. 이를 위해서는 GC에 대해서도 잘 이해해야 할 뿐 아니라, 이들 참조 방식의 동작도 잘 이해할 필요가 있습니다.

GC와 Reachability

Java GC는 객체가 가비지인지 판별하기 위해서 reachability라는 개념을 사용한다. 어떤 객체에 유효한 참조가 있으면 'reachable'로, 없으면 'unreachable'로 구별하고, unreachable 객체를 가비지로 간주해 GC를 수행한다. 한 객체는 여러 다른 객체를 참조하고, 참조된 다른 객체들도 마찬가지로 또 다른 객체들을 참조할 수 있으므로 객체들은 참조 사슬을 이룬다. 이런 상황에서 유효한 참조 여부를 파악하려면 항상 유효한 최초의 참조가 있어야 하는데 이를 객체 참조의 root set이라고 한다.

JVM에서 메모리 영역인 런타임 데이터 영역(runtime data area)의 구조를 그림으로 그리면 다음과 같다.

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그림 1 런타임 데이터 영역(Oracle HotSpot VM 기준)

런타임 데이터 영역은 위와 같이 스레드가 차지하는 영역들과, 객체를 생성 및 보관하는 하나의 큰 힙, 클래스 정보가 차지하는 영역인 메서드 영역, 크게 세 부분으로 나눌 수 있다. 위 그림에서 객체에 대한 참조는 화살표로 표시되어 있다.

힙에 있는 객체들에 대한 참조는 다음 4가지 종류 중 하나이다.

  • 힙 내의 다른 객체에 의한 참조
  • Java 스택, 즉 Java 메서드 실행 시에 사용하는 지역 변수와 파라미터들에 의한 참조
  • 네이티브 스택, 즉 JNI(Java Native Interface)에 의해 생성된 객체에 대한 참조
  • 메서드 영역의 정적 변수에 의한 참조

이들 중 힙 내의 다른 객체에 의한 참조를 제외한 나머지 3개가 root set으로, reachability를 판가름하는 기준이 된다.

reachability를 더 자세히 설명하기 위해 root set과 힙 내의 객체를 중심으로 다시 그리면 다음과 같다.

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그림 2 Reachable 객체와 Unreachable 객체

위 그림에서 보듯, root set으로부터 시작한 참조 사슬에 속한 객체들은 reachable 객체이고, 이 참조 사슬과 무관한 객체들이 unreachable 객체로 GC 대상이다. 오른쪽 아래 객체처럼 reachable 객체를 참조하더라도, 다른 reachable 객체가 이 객체를 참조하지 않는다면 이 객체는 unreachable 객체이다.

이 그림에서 참조는 모두 java.lang.ref 패키지를 사용하지 않은 일반적인 참조이며, 이를 흔히 strong reference라 부른다.

Soft, Weak, Phantom Reference

java.lang.ref는 soft reference와 weak reference, phantom reference를 클래스 형태로 제공한다. 예를 들면, java.lang.ref.WeakReference 클래스는 참조 대상인 객체를 캡슐화(encapsulate)한 WeakReference 객체를 생성한다. 이렇게 생성된 WeakReference 객체는 다른 객체와 달리 Java GC가 특별하게 취급한다(이에 대한 내용은 뒤에서 다룬다). 캡슐화된 내부 객체는 weak reference에 의해 참조된다.

다음은 WeakReference 클래스가 객체를 생성하는 예이다.

WeakReference<Sample> wr = new WeakReference<Sample>( new Sample());
Sample ex = wr.get();
...
ex = null;

위 코드의 첫 번째 줄에서 생성한 WeakReference 클래스의 객체는 new() 메서드로 생성된 Sample 객체를 캡슐화한 객체이다. 참조된 Sample 객체는 두 번째 줄에서 get() 메서드를 통해 다른 참조에 대입된다. 이 시점에서는 WeakReference 객체 내의 참조와 ex 참조, 두 개의 참조가 처음 생성한 Sample 객체를 가리킨다.

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그림 3 Weak Reference 예 1

위 코드의 마지막 줄에서 ex 참조에 null을 대입하면 처음 생성한 Sample 객체는 오직 WeakReference 내부에서만 참조된다. 이 상태의 객체를 weakly reachable 객체라고 하는데, 이에 대한 자세한 내용은 뒤에서 다룬다.

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그림 4 Weak Reference 예 2

Java 스펙에서는 SoftReference, WeakReference, PhantomReference 3가지 클래스에 의해 생성된 객체를 "reference object"라고 부른다. 이는 흔히 strong reference로 표현되는 일반적인 참조나 다른 클래스의 객체와는 달리 3가지 Reference 클래스의 객체에 대해서만 사용하는 용어이다. 또한 이들 reference object에 의해 참조된 객체는 "referent"라고 부른다. Java 스펙 문서를 참조할 때 이들 용어를 명확히 알면 좀 더 이해하기 쉽다. 위의 소스 코드에서 new WeakReference() 생성자로 생성된 객체는 reference object이고, new Sample() 생성자로 생성된 객체는 referent이다.

Reference와 Reachability

앞에서 설명한 것처럼, 원래 GC 대상 여부는 reachable인가 unreachable인가로만 구분하였고 이를 사용자 코드에서는 관여할 수 없었다. 그러나 java.lang.ref 패키지를 이용하여 reachable 객체들을 strongly reachable, softly reachable, weakly reachable, phantomly reachable로 더 자세히 구별하여 GC 때의 동작을 다르게 지정할 수 있게 되었다. 다시 말해, GC 대상 여부를 판별하는 부분에 사용자 코드가 개입할 수 있게 되었다.

두 번째 그림에서 몇몇 객체들을 WeakReference로 바꾸어서 예를 들어보면 다음과 같다.

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그림 5 Reachable, Unreachable, Weakly Reachable 예제

녹색으로 표시한 중간의 두 객체는 WeakReference로만 참조된 weakly reachable 객체이고, 파란색 객체는 strongly reachable 객체이다. GC가 동작할 때, unreachable 객체뿐만 아니라 weakly reachable 객체도 가비지 객체로 간주되어 메모리에서 회수된다. root set으로부터 시작된 참조 사슬에 포함되어 있음에도 불구하고 GC가 동작할 때 회수되므로, 참조는 가능하지만 반드시 항상 유효할 필요는 없는 LRU 캐시와 같은 임시 객체들을 저장하는 구조를 쉽게 만들 수 있다.

위 그림에서 WeakReference 객체 자체는 weakly reachable 객체가 아니라 strongly reachable 객체이다. 또한, 그림에서 A로 표시한 객체와 같이 WeakReference에 의해 참조되고 있으면서 동시에 root set에서 시작한 참조 사슬에 포함되어 있는 경우에는 weakly reachable 객체가 아니라 strongly reachable 객체이다.

GC가 동작하여 어떤 객체를 weakly reachable 객체로 판명하면, GC는 WeakReference 객체에 있는 weakly reachable 객체에 대한 참조를 null로 설정한다. 이에 따라 weakly reachable 객체는 unreachable 객체와 마찬가지 상태가 되고, 가비지로 판명된 다른 객체들과 함께 메모리 회수 대상이 된다.

Strengths of Reachability

앞에서 설명한 것처럼 reachability는 총 5종류가 있고 이는 GC가 객체를 처리하는 기준이 된다. Java 스펙에서는 이들 5종류의 reachability를 "Strengths of Reachability"라 부른다. 앞의 예제 그림에서는 weakly reachable만 예를 들었기 때문에 WeakReference만 표시하였으나, SoftReference, PhantomReference 등을 이용하여 여러 가지 방식으로 reachability를 지정할 수 있고 이에 따라 각 객체들의 GC 여부는 다양하게 달라지게 된다. 하나의 객체에 대한 참조의 개수나 참조 형태에는 아무런 제한이 없으므로, 하나의 객체는 여러 strong reference, soft reference, weak reference, phantom reference의 다양한 조합으로 참조될 수 있다.

Java GC는 root set으로부터 시작해서 객체에 대한 모든 경로를 탐색하고 그 경로에 있는 reference object들을 조사하여 그 객체에 대한 reachability를 결정한다. 다양한 참조 관계의 결과, 하나의 객체는 다음 5가지 reachability 중 하나가 될 수 있다.

  • strongly reachable: root set으로부터 시작해서 어떤 reference object도 중간에 끼지 않은 상태로 참조 가능한 객체, 다시 말해, 객체까지 도달하는 여러 참조 사슬 중 reference object가 없는 사슬이 하나라도 있는 객체
  • softly reachable: strongly reachable 객체가 아닌 객체 중에서 weak reference, phantom reference 없이 soft reference만 통과하는 참조 사슬이 하나라도 있는 객체
  • weakly reachable: strongly reachable 객체도 softly reachable 객체도 아닌 객체 중에서, phantom reference 없이 weak reference만 통과하는 참조 사슬이 하나라도 있는 객체
  • phantomly reachable: strongly reachable 객체, softly reachable 객체, weakly reachable 객체 모두 해당되지 않는 객체. 이 객체는 파이널라이즈(finalize)되었지만 아직 메모리가 회수되지 않은 상태이다.
  • unreachable: root set으로부터 시작되는 참조 사슬로 참조되지 않는 객체

다음 예의 경우 객체 B의 reachability는 softly reachable이다.

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그림 6 Softly Reachable

root set으로부터 바로 SoftReference를 통해서 B를 참조할 수 있기 때문이다. 만약 root set의 SoftReference에 대한 참조가 없다면(즉, 왼쪽 아래 화살표를 삭제한다면), 객체 B는 phantomly reachable이 된다.

Softly Reachable과 SoftReference

softly reachable 객체, 즉 strong reachable이 아니면서 오직 SoftReferencce 객체로만 참조된 객체는 힙에 남아 있는 메모리의 크기와 해당 객체의 사용 빈도에 따라 GC 여부가 결정된다. 그래서 softly reachable 객체는 weakly reachable 객체와는 달리 GC가 동작할 때마다 회수되지 않으며 자주 사용될수록 더 오래 살아남게 된다. Oracle HotSpot VM에서는 softly reachable 객체의 GC를 조절하기 위해 다음 JVM 옵션을 제공한다.

-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=<N> 

이 옵션의 기본값은 1000이다.

softly reachable 객체의 GC 여부는 위 옵션의 <N>에 설정한 숫자에 따라 다음 수식에 의해 결정된다.

(마지막 strong reference가 GC된 때로부터 지금까지의 시간) > (옵션 설정값 N) * (힙에 남아있는 메모리 크기) 

어떤 객체가 사용된다는 것은 strong reference에 의해 참조되는 것이므로 위 수식의 좌변은 해당 객체가 얼마나 자주 사용되는지를 의미한다. 옵션 설정값이 1000이고 남아 있는 메모리가 100MB이면, 수식의 우변은 1,000ms/MB * 100MB = 100,000ms = 100sec, 즉 100초가 된다(옵션 이름 마지막이 MSPerMB로 끝나므로 옵션 설정값의 단위는 ms/MB임을 알 수 있다). 따라서 softly reachable 객체가 100초 이상 사용되지 않으면 GC에 의해 회수 대상이 된다. 힙에 남아있는 메모리가 작을수록 우변의 값이 작아지므로, 힙이 거의 소진되면 대부분의 softly reachable 객체는 모두 메모리에서 회수되어 OutOfMemoryError를 막게 될 것이다.

softly reachable 객체를 GC하기로 결정되면 앞서 설명한 WeakReference 경우와 마찬가지로 참조 사슬에 존재하는 SoftReference 객체 내의 softly reachable 객체에 대한 참조가 null로 설정되며, 이후 이 softly reachable객체는 unreachable 객체와 마찬가지가 되어 GC의해 메모리가 회수된다.

Weakly Reachable과 WeakReference

weakly reachable 객체는 특별한 정책에 의해 GC 여부가 결정되는 softly reachable 객체와는 달리 GC를 수행할 때마다 회수 대상이 된다. 앞서 설명한 것처럼 WeakReference 내의 참조가 null로 설정되고 weakly reachable 객체는 unreachable 객체와 마찬가지 상태가 되어 GC에 의해 메모리가 회수된다. 그러나 GC가 실제로 언제 객체를 회수할지는 GC 알고리즘에 따라 모두 다르므로, GC가 수행될 때마다 반드시 메모리까지 회수된다고 보장하지는 않는다. 이는 softly reachable 객체는 물론 unreachable 객체도 마찬가지이다. GC가 GC 대상인 객체를 찾는 작업과 GC 대상인 객체를 처리하여 메모리를 회수하는 작업은 즉각적인 연속 작업이 아니며, GC 대상 객체의 메모리를 한 번에 모두 회수하지도 않는다.

LRU 캐시와 같은 애플리케이션에서는 softly reachable 객체보다는 weakly reachable 객체가 유리하므로 LRU 캐시를 구현할 때에는 대체로 WeakReference를 사용한다. softly reachable 객체는 힙에 남아 있는 메모리가 많을수록 회수 가능성이 낮기 때문에, 다른 비즈니스 로직 객체들을 위해 어느 정도 비워두어야 할 힙 공간이 softly reachable 객체에 의해 일정 부분 점유된다. 따라서 전체 메모리 사용량이 높아지고 GC가 더 자주 일어나며 GC에 걸리는 시간도 상대적으로 길어지는 문제가 있다.

ReferenceQueue

phantomly reachable 객체의 동작과 PhantomReference를 설명하기 전에 java.lang.ref 패키지에서 제공하는 ReferenceQueue 클래스에 대해 설명할 필요가 있다.

SoftReference 객체나 WeakReference 객체가 참조하는 객체가 GC 대상이 되면 SoftReference 객체, WeakReference 객체 내의 참조는 null로 설정되고 SoftReference 객체, WeakReference 객체 자체는 ReferenceQueue에 enqueue된다. ReferenceQueue에 enqueue하는 작업은 GC에 의해 자동으로 수행된다. ReferenceQueue의 poll() 메서드나 remove() 메서드를 이용해 ReferenceQueue에 이들 reference object가 enqueue되었는지 확인하면 softly reachable 객체나 weakly reachable 객체가 GC되었는지를 파악할 수 있고, 이에 따라 관련된 리소스나 객체에 대한 후처리 작업을 할 수 있다. 어떤 객체가 더 이상 필요 없게 되었을 때 관련된 후처리를 해야 하는 애플리케이션에서 이 ReferenceQueue를 유용하게 사용할 수 있다. Java Collections 클래스 중에서 간단한 캐시를 구현하는 용도로 자주 사용되는 WeakHashMap 클래스는 이 ReferenceQueue와 WeakReference를 사용하여 구현되어 있다.

SoftReference와 WeakReference는 ReferenceQueue를 사용할 수도 있고 사용하지 않을 수도 있다. 이는 이들 클래스의 생성자 중에서 ReferenceQueue를 인자로 받는 생성자를 사용하느냐 아니냐로 결정한다. 그러나 PhantomReference는 반드시 ReferenceQueue를 사용해야만 한다. PhantomReference의 생성자는 단 하나이며 항상 ReferenceQueue를 인자로 받는다.

ReferenceQueue<Object> rq = new ReferenceQueue<Object>();
PhantomReference<Object> pr = new PhantomReference<Object>(referent, rq);

SoftReference, WeakReference는 객체 내부의 참조가 null로 설정된 이후에 ReferenceQueue에 enqueue되지만, PhantomReference는 객체 내부의 참조를 null로 설정하지 않고 참조된 객체를 phantomly reachable 객체로 만든 이후에 ReferenceQueue에 enqueue된다. 이를 통해 애플리케이션은 객체의 파이널라이즈 이후에 필요한 작업들을 처리할 수 있게 된다. 더 자세한 내용은 다음 절에서 설명한다.

Phantomly Reachable과 PhantomReference

softly reachable과 weakly reachable, phantomly reachable은 많이 다르다. 이를 설명하기 위해서는 먼저 GC 동작을 설명해야 한다. GC 대상 객체를 찾는 작업과 GC 대상 객체를 처리하는 작업이 연속적이지 않 듯이, GC 대상 객체를 처리하는 작업과 할당된 메모리를 회수하는 작업도 연속된 작업이 아니다. GC 대상 객체를 처리하는 작업, 즉 객체의 파이널라이즈 작업이 이루어진 후에 GC 알고리즘에 따라 할당된 메모리를 회수한다.

GC 대상 여부를 결정하는 부분에 관여하는 softly reachable, weakly reachable과는 달리, phantomly reachable은 파이널라이즈와 메모리 회수 사이에 관여한다. strongly reachable, softly reachable, weakly reachable에 해당하지 않고 PhantomReference로만 참조되는 객체는 먼저 파이널라이즈된 이후에 phantomly reachable로 간주된다. 다시 말해, 객체에 대한 참조가 PhantomReference만 남게 되면 해당 객체는 바로 파이널라이즈된다. GC가 객체를 처리하는 순서는 항상 다음과 같다.

  1. soft references
  2. weak references
  3. 파이널라이즈
  4. phantom references
  5. 메모리 회수

즉, 어떤 객체에 대해 GC 여부를 판별하는 작업은 이 객체의 reachability를 strongly, softly, weakly 순서로 먼저 판별하고, 모두 아니면 phantomly reachable 여부를 판별하기 전에 파이널라이즈를 진행한다. 그리고 대상 객체를 참조하는 PhantomReference가 있다면 phantomly reachable로 간주하여 PhantomReference를 ReferenceQueue에 넣고 파이널라이즈 이후 작업을 애플리케이션이 수행하게 하고 메모리 회수는 지연시킨다.

앞서 설명한 것처럼 PhatomReference는 항상 ReferenceQueue를 필요로 한다. 그리고 PhantomReference의 get() 메서드는 SoftReference, WeakReference와 달리 항상 null을 반환한다. 따라서 한 번 phantomly reachable로 판명된 객체는 더 이상 사용될 수 없게 된다. 그리고 phantomly reachable로 판명된 객체에 대한 참조를 GC가 자동으로 null로 설정하지 않으므로, 후처리 작업 후에 사용자 코드에서 명시적으로 clear() 메서드를 실행하여 null로 설정해야 메모리 회수가 진행된다.

이와 같이, PhantomReference를 사용하면 어떤 객체가 파이널라이즈된 이후에 할당된 메모리가 회수되는 시점에 사용자 코드가 관여할 수 있게 된다. 파이널라이즈 이후에 처리해야 하는 리소스 정리 등의 작업이 있다면 유용하게 사용할 수 있다. 그러나 개인적으로는 PhantomReference를 사용하는 코드를 거의 본 적이 없으며, 그 효용성에 대해서는 의문이 있다.

마치며

Java의 Reference는 그 선후 관계와 용어가 복잡해서 글로 쉽게 풀어쓰기가 어려워 본문이 꽤 장황해졌다. 본문의 내용을 간단히 요약하면 다음과 같다.

  • Java GC는 GC 대상 객체를 찾고, 대상 객체를 처리(finalization)하고, 할당된 메모리를 회수하는 작업으로 구성된다.
  • 애플리케이션은 사용자 코드에서 객체의 reachability를 조절하여 Java GC에 일부 관여할 수 있다.
  • 객체의 reachability를 조절하기 위해서 java.lang.ref 패키지의 SoftReference, WeakReference, PhantomReference, ReferenceQueue 등을 사용한다.

개인적으로는 내부 캐시 등을 구현하고자 하는 대부분의 애플리케이션에서는 WeakReference 혹은 이를 이용한 WeakHashMap만으로도 충분하다고 생각한다. 다른 애플리케이션에서는 가끔 SoftReference를 사용하는 경우도 있지만, PhantomReference는 거의 예제가 없으며 그만큼 불필요할 것이다. 이들 Java Reference들과 관련된 GC 동작을 잘 이해하면 Java의 heap 메모리 문제에서 더욱 유연한 애플리케이션 작성에 크게 도움이 될 것이다.

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영화 <코드명 J>의 원작 소설이 발표된 것은 1981년이다. 저자인 윌리엄 깁슨은 대량의 데이터를 전달하려면 사람의 두뇌를 써야 할 것이라고 생각했다. 30년이 지나 사람은 두뇌를 사용하는 대신 손톱보다 작고 훨씬 대용량인 메모리카드를 만들어냈다. IT 기술이 이렇게 빠르게 발전하고 그만큼 데이터양도 늘어나고 있지만 메모리카드와 비교도 안 되게 좁은 필자의 두뇌에는 아직도 채워야 할 내용이 많은 것 같다. 그래서 언제나 무언가를 채우기 위해 돌아다니고 두리번거리고 있다.

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