가비지 컬렉션
자바스크립트는 도달 가능성(reachability)이라는 개념을 사용해 메모리 관리를 수행한다.
도달 가능한 값은 쉽게 말해 어떻게든 접근하거나 사용할 수 있는 값을 의미한다.
도달 가능한 값은 메모리에서 삭제되지 않는다.
- 아래 값들은 그 태생부터 도달가능하기 때문에, 명백한 이유 없이는 삭제되지 않는다.
- 현재 함수의 지역 변수와 매개변수
- 중첩 함수의 체인에 있는 함수에서 사용되는 변수와 매개변수
- 전역 변수
이런 값은 루트(root)라고 부른다.
- 루트가 참조하는 값이나 체이닝으로 루트에서 참조할 수 있는 값은 도달 가능한 값이된다.
전역 변수에 객체가 저장되어 있다고 가정해보자. 이 객체의 프로퍼티가 또 다른 객체를 참조하고 있다면, 프로퍼티가 참조하는 객체는 도달 가능한 값이된다. 이 객체가 참조하는 다른 모든 것들도 도달 가능하다고 여겨진다.
자바스크립트 엔진 내에서는 가비지 컬렉터가 끊임없이 동작한다. 가비지 컬렉터는 모든 객체를 모니터링하고, 도달할 수 없는 객체는 삭제한다.
메모리 구조(V8 엔진)
프로그램을 실행하면 메모리의 Resident Set이라는 빈 공간이 할당된다. Resident Set은 스택 영역과 힙 영역으로 나눌 수 있다. 자바스크립트의 경우 싱글스레드라서 스택 메모리를 하나만 가진다. 스택은 함수 호출이 끝난 후 OS에 의해 정리되지만, 힙 메모리는 그렇지 않다. 따라서 힙에 있는 쓸모없는 메모리가 해제되지 않는다면, 메모리 누수가 발생하여 프로그램 속도가 느려진다.
Stack
V8 엔진의 Memory는 크게 Stack과 Heap Memory로 나눌 수 있는데 Stack에는 보통 작은 크기의 원시값(Number, Boolean, undefined, null)들이 저장된다. 또한 식별자, 함수의 매개변수, 참조타입들의 주소값, 실행 컨텍스트등도 Stack에 저장된다.
Heap
힙은 동적으로 할당된 메모리 영역으로서, 객체가 프로그램에서 생성될 때마다 메모리를 할당하고 더 이상 필요하지 않을 때 가비지 컬렉터를 통해서 메모리를 해제하기 때문이다.
힙에서 가비지 컬렉션이 일어나는 부분은 New space와 Old space이다.
- New space(Young generation): 새로 만들어진 Object가 저장된다.
- Old space(Old generation: New space에서 마이너 가비지 컬렉션이 2번 발생할 동안 살아남은
객체들이 저장됩니다. 이 영역은 두개로 나눌 수 있습니다.
- Pointer space: 다른 객체를 참조하는 객체, 즉 다른 객체에 대한 포인터를 가진 객체
- Data space: 문자열, 실수 등의 데이터만을 가진 객체
가비지 컬렉터는 Heap Memory에서 동작한다.
가비지 컬렉터(GC)
V8은 힙 영역을 generations라고 불리는 New, Old space로 나눴습니다. New space는 2개의 semi Space로 나뉜다. 객체는 처음에 New space의 첫 번째 semi space에 할당됩니다. 만약 GC로부터 한 번 생존한다면, 다른 semi space로 이동한다. 그리고 생존한 객체들이 또 한 번 GC로부터 생존하면, Old space로 이동한다.
가비지 컬렉션은 New space에서의 마이너 GC와 Old space에서의 메이저 GC로 각기 다른 방식으로 동작한다.
The Generational Hypothesis 가설에 따라서 대부분의 경우 새로운 객체가 오래된 객체보다 쓸모없어질 가능성이 높다. 오래된 객체가 쓸모없어질 가능성이 낮은데 GC가 모든 객체를 매번 검사하는 것은 비효율적이다.
객체의 특성에 맞춰 힙 영역을 크게 New space와 Old space로 분류하여 새로운 객체는 New space에서, 오래된 객체는 Old space에서 각 영역에 최적화된 GC들(마이너, 메이저)로 관리한다. 마이너 GC는 객체들의 생명주기가 짧은 New space에서 빠르게 가비지 컬렉션을 하고, 메이저 GC는 메모리 사이즈가 큰 Old space에서 가비지 컬렉션을 한다.
마이너 GC(Scavenger)
마이너 GC에서 살아남은 객체들은 항상 새로운 곳으로 대피(evacuation)한다. 즉 2개의 semi space가 있고, 이 대피 과정을 위해서 언제나 1개의 semi space는 비어있다. 이 비어있는 영역은 To space, 객체들이 머무르는 영역은 From space라고 부른다. From space에서 To space로 이동할 때 살아남은 객체들은 연속적인(붙어있는) 메모리로 이동한다. 이는 메모리 단편화를 주기적으로 방지해주는 장점이 있다. 그리고 객체는 새로운 메모리 주소값으로 포인터가 갱신된다.
From space에서 To space로 생존한 객체들의 대피가 완료되면, From space에 남아있는 더 이상 쓸모없는 객체들을 버린다. 마지막으로 From space와 To space의 역할을 서로 바꿔준다.
새로운 객체가 할당된다고 가정해보자. 먼저, From space의 다음 빈 주소에 할당된다. 그리고 새로운 객체는 생존하여 To space로 대피한다. 하지만 기존에 한 번 생존했던 4개의 객체는 또 한번 생존하면 To space가 아닌 Old space로 이동된다.
메이저 GC
Old Space를 검사하는 메이저 GC는 Mark Sweep Compact 알고맂므과 Tri-color 알고리즘을 사용하며 다음 세단계로 나뉜다. 기본적인 로직은 참조되지 않은 객체를 더 이상 쓸모없는 객체로 간주한다.
- Marking
- GC가 어떤 객체가 사용중인지와 사용되지 않는지를 식별
- 사용 중이거나 GC 루트(Stack pointers)에서 재귀적으로 도달 가능한 객체는 살아있는 것으로 표시
- 사실상 heap을 directed graph로 간주한 깊이 우선 탐색
- Sweeping
- GC가 heap을 순회하면서 활성 상태로 표시되지 않은 객체들의 메모리 주소를 기록한다. 이 공간은 이 제 사용 가능한 목록(free-list)에서 사용 가능하다고 표시되며 다른 객체들을 저장하는데 사용될 수 있다.
- 압축(Compacting)
- 스위핑이 일어난 다음, 필요한 경우 살아남은 객체는 함께 이동된다.
- 이를 통해 메모리 단편화를 감소하고 새로운 객체에 대한 메모리 할당 성능을 높일 수 있다.
또한 메이저 GC는 GC를 수행하는 동안 애플리케이션 실행을 멈추므로 stop-the-world GC라고 한다. 이를 피하기 위해 V8에서는 다양한 기술을 사용한다.
Mark and Sweep
- 가비지 컬렉터는 루트(root)정보를 수집하고 이를 mark(기억)한다.
- 루트가 참조하고 있는 모든 객체를 방문하고 이것들을 'mark'한다.
- mark된 모든 객체에 방문하고 그 객체들이 참조하는 객체도 mark한다. 한번 방문한 객체는 전부 mark 하기 때문에 같은 객체를 다시 방문하는 일은 없다.
- 루트에서 도달 가능한 모든 객체를 방문할 때까지 위 과정을 반복한다.
- mark 되지 않은 모든 객체를 메모리에서 삭제한다.
자바스크립트 엔진은 실행에 영향을 미치지 않으면서 가비지 컬렉션을 더 빠르게 하는 다양한 최적화 기법을 적용한다.
- generational collection(세대별 수집): 객체를 새로운 객체와 오래된 객체로 나눈다. 객체 상당수는 생성 이후 제 역할을 빠르게 수행해 금방 쓸모가 없어지는데, 이런 객체들을 새로운 객체로 구분한다. 가비지 컬렉터는 이런 객체를 공격적으로 메모리에서 제거한다.
- incremental collection(점진적 수집): 방문 해야 할 객체가 많다면 모든 객체를 한 번에 방문하고 mark하는데 상당한 시간이 소모된다. 가비지 컬렉션에 많은 리소스가 사용되어 실행속도도 눈에 띄게 느려진다. 자바스크립트 엔진은 이런 현상을 개선하기 위해 가비지 컬렉션을 여러 부분으로 분리한 다음, 각 부분을 별도로 수행한다. 작업을 분리하고 변경 사항을 추적하는데 추가 작업이 필요하긴 하지만, 긴 지연 시간을 짧은 지연 여러 개로 분산시킬 수 있다는 장점이 있다.
- idle-time collection(유휴 시간 수집): 가비지 컬렉터는 실행에 주는 영향을 최소화하기 위해 CPU가 유휴 상태일 때에만 가비지 컬렉션을 실행한다.