알고리즘의 자바 솔루션에서 GC로 인한 메모리 초과를 방지하는법

1. 자바 솔루션에서 메모리 초과가 나는 이유

1.1. 메모리 누수?

먼저, 메모리 누수는 아니다.

메모리 누수는 고려하지 않는다. 알고리즘 문제는 대게 메모리 요구사항이 있고 메모리 요구사항은 GC가 돌아가는 조건에 한참 못미친다. 애초에 후술하겠지만 GC가 수행도중에 돌아가서도 안된다. GC가 돌아가지 않으니 해당 솔루션이 메모리 누수가 나는 설계를 하였다고 하여도 메모리 초과의 직접적인 원인이라 할 수 없다. 그러나 현업에서는 GC가 비정상적인 상황이 아니며, 따라서 현업 앱 설계에는 메모리 누수에대한 고려가 필요하다.

1.2. 주요 2가지 원인

경험상 크게 2가지 이유가 있다.

• 문제에서 요구하는 공간 복잡도를 만족시키지 못한 경우.

  이런 경우는 오히려 알고리즘의 재설계를 통해 쉽게 해결될 수 있다. 문제 해결이 쉽다.

• 공간 복잡도는 만족했지만 GC가 제때 되지 않아 메모리 초과가 나는경우

  대게 자바는 2번 이유로 메모리 초과가 나는경우가 많다. 알고리즘의 공간 복잡도를 따져보면 조건을 만족하지만, 메모리 초과가 뜨는 경우이다. System.gc()를 코드 중간에 삽입해서 강제로 gc를 돌려주면 메모리 요구사항을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

2. GC 강제로 돌리기

System.gc()는 강제로 GC를 수행시켜주는 시스템 메소드이다. 이 메소드를 Unreachable Object가 생기는 시점마다 강제로 호출시켜주면 C언어의 malloc() 동적할당 변수에 free()를 써준 것처럼, 즉시 모든 Unreachable Object들의 메모리가 해제된다. 이렇게 강제로 GC를 돌려주면 알고리즘이 자신이 가진 공간복잡도를 온전히 발휘하여 문제의 메모리 요구사항을 만족시킬 순 있다. 하지만, GC는 기본적으로 시간이 오래 걸리는 연산이다. c 언어의 free()와는 다르게 GC는 그 대상을 명시해서 사용하지 않는다. GC는 스스로 자신이 해제시켜야할 Unreachable Object들을 찾아야하며, 이 과정은 기본적으로 루트로부터의 참조 관계로 얽힌 깊은 트리 구조를 순회하고 비교하는 문제이기 때문에 수행시간이 상당히 걸린다. 게다가 가장 큰 문제는 GC가 수행되는동안 JVM은 어플리케이션의 수행을 잠시 중단시킨다는 것이다. 이를 Stop the World라고 한다.

2.1. Stop the World

GC는 자신이 실행되는 메소드를 제외한 모든 쓰래드를 일시적으로 정지시킨다. 이건 GC가 완료될 때까지 애플리케이션 실행을 중단시킨다는 것이다. 따라서 GC는 대게 메모리가 부족한 상황에서만 자동적으로 호출되게 되어있다.

3. 객체를 최대한 재활용하기

따라서 GC없이 메모리 요구사항을 맞추기 위해서는 객체를 최대한으로 재활용 할 필요가 있다. 또한 GC의 Stop the World를 예방하기 위해서도 객체를 최대한 재활용하는 설계가 중요하다.

3.1. 연산에 사용되는 객체, 배열을 재활용

반복적으로 수행되는 어떤 연산에있어서 임시적으로 값을 저장하거나 전달하기 위해 생성해야하는 객체나 배열이 있다면, 해당 객체나 배열을 싱글톤으로 생성, 관리하고 매번 연산의 시작 전에 알맞은 초기값으로 초기화해주는 방법을 쓰면 객체의 효율적인 재활용이 가능하다. 멀티쓰래드에서는 각 쓰래드 별로 사용할 객체 및 배열을 생성 및 할당해주면 된다.

3.2. String 보단 StringBuilder 사용

String은 그 값이 변할때마다 매번 새로 객체가 생성되어 Primitive 타입처럼 사용이 가능하다. 그러나 이러한 특징 때문에 String으로 선언한 변수를 통해 문자열 값을 변경하는 코드를 짠다면, 해당 변수의 값이 새롭게 할당 될 때 마다 새 Unreachable Object가 생기게 되어 메모리를 낭비하게 된다. 반면 StringBuilder 객체를 사용한다면 값이 변경될때마다 새롭게 객체가 생성되는 일이 없다.

3.3. 메소드의 바깥에서 객체, 배열을 생성

메소드 내부에서만 생성되어 사용되는 객체나 배열이 있을 수 있다. 메소드는 대게 코드의 중복성을 없에기 위해 사용하므로 여러번 호출되어 사용되는데, 메소드 내부에서만 사용하기 위해 생성된 객체나 배열은 메소드의 종료와 함께 Unreachable Object가 되어 메모리에 남게된다. 이는 GC를 유발하는 메모리의 낭비이다. 따라서 메소드 내부에서만 생성되어 사용되는 객체나 배열이라도 메소드의 외부에서 선언하여 후에 메소드가 또 다시 호출될 때 인자로 넘겨주고 알맞게 초기화하여 사용하게 해야한다.