가비지 컬렉션 톺아보기

가비지 컬렉션(GC)

먼저, 아주 간단히 핵심만 말해보자면 자바스크립트는 객체가 생성되었을 때 자동으로 메모리를 할당하고 쓸모 없어졌을 때 자동으로 해제하는 기능이 있는데요. 이러한 기능을 가비지 컬렉션이라고 합니다 😎

그럼 먼저 메모리에 대해 한 번 짚어볼까요? 우선 메모리 생존 주기는 어떤 프로그래밍 언어든 관계 없이 아래와 같이 이루어져요.

필요할 때 메모리를 할당
할당된 메모리를 사용 (읽기/쓰기 등)
더 이상 필요하지 않으면 메모리를 해제

여기서 메모리 사용(2번)은 개발자가 직접 코드를 짜면서 건드리기 때문에 명시적으로 사용됩니다. 그렇지만 메모리를 해제할 때(3번)는 자바스크립트가 자동으로(암묵적으로) 메모리를 해제하게 됩니다.

그렇다면 더 이상 필요하지 않은 객체들을 어떻게 자동으로 처리할 수 있는 것일까요?

바로 자바스크립트 엔진 내의 가비지 컬렉터에서 메모리 관리를 수행하기 때문입니다! 엔진 내에선 가비지 컬렉터가 끊임없이 동작하기 때문에 모든 객체를 모니터링 할 수 있는 것이죠.

잠깐, 엔진이란? 🤔
- 브라우저에는 자바스크립트 가상 머신이라 불리는 엔진이 내장(=내장 엔진) 되어 있습니다.
- 엔진의 종류
  - V8 - Chrome과 Opera
  - SpiderMonkey - Firefox
- 엔진 동작 과정
  1. 엔진(브라우저의 경우 내장 엔진)이 스크립트를 읽고, (파싱)
  2. 읽어 들인 스크립트를 기계어로 전환하여, (컴파일)
  3. 기계어로 전환된 코드가 실행됩니다!
- 특징
  - 엔진은 프로세스 각 단계마다 최적화를 진행합니다.
  - 심지어 컴파일이 끝나고 실행 중인 코드를 감시하면서, 이 코드로 흘러가는 데이터를 분석하고, 분석 결과를 토대로 기계어로 전환된 코드를 다시 최적화하는 과정을 거칩니다. ⇒ 스크립트 실행 속도가 더욱 빨라집니다.

아래에서 가비지 컬렉션(터)에 대해 더 자세히 알아보아요. 😎

가비지 컬렉션 기준

계속 말했지만, 자바스크립트에서는 가비지 컬렉터에 의해 메모리를 자동으로 관리해줍니다.그렇다면 가비지 컬렉션은 할당된 메모리 블록이 더 이상 필요하지 않은지 어떻게 판단할 수 있는 걸까요?

자바스크립트는 메모리 관리를 수행할 때 도달 가능성(reachability) 이라는 개념을 사용합니다. 도달 가능한 값은 메모리에서 절대 삭제되지 않습니다.

도달 가능성(reachability)
- 어떻게든 접근하거나 사용할 수 있는 값
- 도달 가능한 값은 메모리에서 삭제 되지 않음
도달 가능한 값
1. 태생부터 도달 가능한 값 ⇒ root 라고 부름
  - 전역 변수 등
  - 현재 함수의 지역 변수와 매개변수
  - 중첩 함수의 체인에 있는 함수에서 사용 되는 변수와 매개변수
2. root가 참조하는 값이나 체이닝으로 루트에서 참조할 수 있는 값
예를 들어 전역 변수에 객체가 저장되어 있다고 가정했을 때, 이 객체의 프로퍼티가 또 다른 객체를 참조하고 있다면 프로퍼티가 참조하는 객체는 도달 가능한 값이 됩니다

다양한 예시들을 통해 개념들을 다시 한 번 짚어봅시다 ! 🤜🏻

예시1 - 간단한 예시

// user엔 객체 참조 값이 저장됨
let user = {
    name: "John"
};

왼쪽의 그림에서 화살표는 객체 참조를 나타냅니다.
그림을 해석하면, 전역 변수 user 는 {name:”John”} 이라는 객체를 참조하고 있습니다.
John의 프로퍼티인 name 은 원시값을 저장하고 있기 때문에 객체 안에 표현합니다.

만약 이 상태에서 user의 값을 다른 값으로 덮어쓰면 참조(화살표)가 사라지게 됩니다.

user = null;

왼쪽의 그림과 같이 이제 John은 도달할 수 없는 상태가 됩니다.
John에 접근할 방법도, John을 참조하는 것도 모두 사라집니다.

예시2 - 참조가 두 개

// user엔 객체 참조 값이 저장
let user = {
    name: "John"
};

let admin = user;

user = null;

위 코드처럼 user를 null값으로 덮어쓰더라도, 전역 변수 admin을 통하면 여전히 객체 John에 접근할 수 있기 때문에 John은 메모리에서 삭제되지 않습니다.
만약 admin도 다른 값(null 등)으로 덮어쓰게 된다면 John은 메모리에서 삭제 될 수 있습니다.

예시3 - 연결된 객체

function marry(man, woman) {
    woman.husband = man;
    man.wife = woman;

    return {
        father: man,
        mother: woman
    }
}

let family = marry(
    {name:"John"},{name:"Ann"}
);

함수 marry는 매개변수로 받은 두 객체를 서로 참조하게 하고 있습니다.
또한, 두 객체를 포함하는 새로운 객체를 반환합니다.
메모리 구조는 아래의 그림과 같습니다.

delete family.father;
delete family.mother.husband;

참조 두 개를 지움으로써 John으로 들어오는 참조(화살표)가 모두 사라집니다.
즉, John은 도달 가능한 상태에서 벗어납니다.

외부로 나가는 참조는 도달 가능한 상태에 영향을 주지 않습니다.
이제 John은 도달 가능한 상태가 아니기 때문에 메모리에서 제거되며, John에 저장된 데이터(프로퍼티) 역시 메모리에서 사라집니다.
가비지 컬렉션 후 최종 메모리 구조는 아래와 같습니다.

⇒ 사실 Reference-counting 알고리즘에 따르면, 함수 내에서 두 객체가 서로를 참조하는 순환 참조는 객체가 여전히 서로를 참조하고 있기 때문에 가비지 컬렉팅되지 않습니다.(= 메모리 누수 발생!) 하지만 이는 Mark-and-Sweep 알고리즘에 의해 보완됩니다. ( 이후 가비지컬렉션 알고리즘 파트에서 더 자세히 설명하겠습니다 :))

예시4 - 도달할 수 없는 섬

객체들이 연결되어 섬 같은 구조를 만드는데, 이 섬에 도달할 방법이 없는 경우, 섬을 구성하는 객체 전부가 메모리에서 삭제됩니다.

family = null;

John과 Ann은 여전히 서로를 참조하고 있지만, 근원 객체(root)가 참조하고 있지 않습니다.
따라서 섬을 구성하는 객체 전부가 메모리에서 제거됩니다.

가비지 컬렉션 알고리즘

가비지 컬렉션은 크게 두 가지 알고리즘이 존재합니다.

1. Reference-Counting

말 그대로 참조 개수를 카운팅하면서, 참조가 하나도 없으면 가비지로 판단하는 방식입니다. 결국 위에서 설명한 예시들의 동작과정을 의미합니다.

2. Mark-and-Sweep

절차
1. 가비지 컬렉터는 루트(root) 정보를 수집하고 이를 mark(기억)
2. 루트가 참조하고 있는 모든 객체를 방문하고 이것들을 mark
3. mark된 모든 객체에 방문하고 그 객체들이 참조하는 객체도 mark (단, 한 번 방문했던 객체를 다시 방문하지는 않음)
4. 루트에서 도달 가능한 모든 객체를 방문할 때까지 위 과정을 반복 ⇒ Mark
5. mark 되지 않은 모든 객체를 메모리에서 삭제 ⇒ Sweep
단점
- 해당 과정에서 전체 스레드가 멈춥니다. stop-the-world라고 불리기도 한답니다! 흔히 가비지 컬렉션에서 성능 저하를 언급하는 것도 이 때문입니다..😭
Mark-and-Sweep의 구동과정

아래 예시 코드를 통해 구동 과정을 살펴봅시다!
```
let x = {
    a : {
        b : 2 {
    }
}

let y = x
x = 1

let z = y.a.b
y='bumsu'

z=null
```
1. **Marking**
  1. roots를 모두 회색으로 마킹하고, Deque에 push합니다.
  1. Deque에서 pop front하여 객체를 꺼내어 검은색으로 마킹합니다.
  1. 검은색으로 마킹된 객체가 참조하는 객체들을 회색으로 마킹하고, push front합니다.
  1. Deque가 완전히 빌때까지 b,c를 반복합니다.
  (중략)
  1. 최종적으로 검은색과 흰색으로 분류되고 Deque은 완전히 비게 됩니다. 끗!
2. Sweep
  
  흰 색으로 마킹된 객체들을 가비지로 인식하고 메모리를 해제합니다.
3. Compact
  
  메모리의 파편화가 심해지지 않도록 메모리를 재배치하여 메모리를 확보합니다.

최적화 기법

자바스크립트 엔진은 실행에 영향을 미치지 않으면서 가비지 컬렉션을 더 빠르게 하는 다양한 최적화 기법을 적용합니다.
종류
- generational collection (세대별 수집)
  - 객체를 ‘새로운 객체’와 ‘오래된 객체’로 나눕니다.
  - 객체 상당수는 생성 이후 제 역할을 빠르게 수행해 금방 쓸모가 없어집니다. 이러한 것들은 ‘새로운 객체’로 구분합니다.
  - 가비지 컬렉터는 이런 새로운 객체를 공격적으로 메모리에서 제거합니다.
  - 일정 시간동안 살아남은 객체는 ‘오래된 객체’로 분류하여 가비지가 컬렉터가 덜 감시하도록 합니다.
- incremental collection (점진적 수집)
  - 방문해야 할 객체가 많다면 mark 하는데 상당한 시간이 소모 됩니다.
  - 따라서 가비지 컬렌션을 여러 부분으로 분리한 다음, 각 부분을 별도로 수행합니다.
  - 추가 작업이 필요하나, 긴 지연을 짧은 지연 여러 개로 분산시킬 수 있다는 장점이 있습니다.
- idle-time collection (유휴 시간 수집)
  - 가비지 컬렉터가 실행에 주는 영향을 최소화하기 위해 CPU가 유휴 상태일 때에만 가비지 컬렉션 실행합니다.