item 07 : 다 쓴 객체 참조를 해제하라

자바는 자칫 메모리 관리에 더 이상 신경 쓰지 않아도 된다고 오해할 수 있는데, 절대 사실이 아니다.

메모리 누수

문제가 되는 코드

import java.util.Arrays;
import java.util.EmptyStackException;

public class Stack {
    private Object[] elements;
    private int size = 0;
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    public Stack() {
        elements = new Object[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
    }

    public void push(Object e) {
        ensureCapacity();
        elements[size++] = e; // size를 증가시키기 전에 요소를 추가
    }

    public Object pop() {
        if (size == 0) throw new EmptyStackException();
        return elements[--size]; // size를 감소시키고 요소를 반환
    }

    // 원소를 위한 공간을 적어도 하나 이상 확보한다.
    // 배열 크기를 늘려야 할 때마다 대략 두 배씩 늘린다.
    private void ensureCapacity() {
        if (elements.length == size) {
            elements = Arrays.copyOf(elements, 2 * size + 1);
        }
    }
}

메모리 누수가 발생하면 어떻게 될까?

메모리 누수 위치

1. 다 쓴 참조(Obsolete References):

   • elements 배열의 크기를 늘릴 때, 기존 배열의 참조는 새로운 배열로 복사된다. 이때 기존 배열의 요소들은 더 이상 사용되지 않더라도 여전히 elements 배열에 남아 있다.

   • 스택의 size가 줄어들면 비활성 영역에 있는 객체들에 대한 참조가 계속 남아 있어 가비지 컬렉터가 이 객체들을 회수하지 못하게 된다.

   • 즉, 스택에서 꺼내진 객체들은 elements 배열에 여전히 참조로 남아 있어 가비지 컬렉터가 이 객체들을 회수하지 못하게 된다.

2. 활성 영역과 비활성 영역:

   • 스택의 size가 줄어들면, elements 배열의 인덱스 size 이상의 요소들은 더 이상 활성 영역에 포함되지 않지만, 이 요소들은 여전히 배열에 남아 있다.

   • 이 비활성 영역의 객체들은 프로그램에서 더 이상 사용되지 않더라도, 배열에 대한 참조가 남아 있기 때문에 가비지 컬렉터가 이 객체들을 회수할 수 없다.

3. 가비지 수집에 대한 영향:

   • 이러한 다 쓴 참조(obsolete reference)는 메모리 누수를 유발할 수 있다. 특히, 오래 지속되는 객체가 포함된 스택의 경우, 이 객체들이 메모리에 계속 남아 있어 메모리 사용량이 증가하게 된다.

정리하자면,

Stack 클래스에서 메모리 누수는 elements 배열의 비활성 영역에 있는 객체들에 대한 다 쓴 참조 때문에 발생한다. 이 객체들은 더 이상 사용되지 않지만, 스택이 이 객체들에 대한 참조를 계속 유지하기 때문에 가비지 컬렉터가 회수하지 못하게 된다. 따라서, 이러한 참조를 적절히 관리하지 않으면 메모리 누수와 성능 저하를 초래할 수 있다.

스택의 size가 줄어들면 비활성 영역에 있는 객체들에 대한 참조가 계속 남아 있어 가비지 컬렉터가 이 객체들을 회수하지 못하게 된다.

메모리 누수에 대한 이해

즉, 가비지 컬렉터를 통해 객체를 자동으로 수거하는데, 여전히 메모리 누수를 걱정해야 하는 이유 중 하나는 다 쓴 객체에 대한 참조 해제를 못하기 때문이라는 것

메모리 누수로, 이 스택을 사용하는 프로그램을 오래 실행하다 보면 점차 가비지 컬렉션 활동과 메모리 사용량이 늘어나 결국 성능이 저하될 것이다. 상대적으로 드문 경우긴 하지만 심할 때는 디스크 페이징이나 OutOfMemoryError를 일으켜 프로그램이 예기치 않게 종료되기도 한다.

가령, 우리가 다 쓴 객체를 필요 이상으로 참조하고 있는 경우, 해당 객체는 가비지 컬렉터의 대상이 되지 않으며, 그 결과 메모리가 불필요하게 사용되게 됨

How can I create a memory leak in Java?Stack Overflow

위의 내용을 간단히만 정리 해서 메모리 누수가 일어나는 원인을 보자면,

Java에서 메모리 누수의 이해와 예제

메모리 누수는 여전히 발생할 수 있으며, 이는 메모리를 소모하지만 더 이상 참조되지 않는 객체를 해제할 수 없는 상황을 말한다.

1. ThreadLocal 사용

• 설명: ThreadLocal 객체는 스레드 전용 변수로, 각 스레드가 자신만의 변수를 유지하게 해준다. 그러나 스레드가 살아 있는 동안 이 변수에 대한 강한 참조가 유지되면 가비지 수집이 불가능해진다.

• 예제:

  public class MemoryLeakExample {
      private static final ThreadLocal<Object> threadLocal = new ThreadLocal<>();
      
      public void createMemoryLeak() {
          threadLocal.set(new byte[1000000]); // 큰 배열 할당
      }
  }

• 결과: 스레드가 종료되어도 threadLocal의 객체는 메모리에서 해제되지 않는다.

2. 정적 참조 객체

• 설명: 정적 필드는 클래스의 인스턴스화 없이 접근할 수 있으므로, 이 필드가 객체에 대한 참조를 계속 유지하면 메모리가 해제되지 않는다.

• 예제:

  class MemorableClass {
      static final List<Object> list = new ArrayList<>();
      // 객체를 계속 추가하면 메모리 누수 발생
  }

3. 침식된 서브스트링

• 설명: Java 6 이하에서는 String.substring() 함수가 원래 문자열의 내부 배열을 참조한다. 이로 인해 큰 문자열에서 작은 서브스트링을 생성하면 큰 문자열이 가비지 수집되지 않을 수 있다.

• 예제:

  String largeString = "Some very large text...";
  String subString = largeString.substring(0, 1); // 큰 문자열이 메모리에 남아 있음

• 결과: subString이 사용되는 동안 largeString이 메모리에서 제거되지 않는다.

추가 주제: 가비지 수집의 이해

가비지 수집(GC)은 자바에서 메모리 관리를 자동화하는 메커니즘으로, 사용되지 않는 객체를 식별하고 메모리를 회수하는 작업이다. GC는 다음과 같은 방식으로 작동한다:

• Mark and Sweep: 먼저 사용되지 않는 객체를 '표시'(mark)한 후, 그 객체들이 할당된 메모리를 회수(수집)

• Generational GC: 객체의 생애주기에 따라 메모리를 분리하여 짧은 시간 내에 소멸한 객체는 빠르게 처리합

메모리 누수 원인(책 버전)

1. 비활성 객체에 대한 강한 참조:

   • 스택과 같은 데이터 구조에서 비활성 영역의 객체들이 여전히 참조되고 있을 경우, 가비지 컬렉터가 이를 회수하지 못한다.

   public class Stack {
       private Object[] elements;
       private int size = 0;
       private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
   
       public Stack() {
           elements = new Object[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
       }
   
       public void push(Object e) {
           ensureCapacity();
           elements[size++] = e;
       }
   
       public Object pop() {
           if (size == 0) throw new EmptyStackException();
           return elements[--size]; // 비활성 영역의 객체는 여전히 참조됨
       }
   
       private void ensureCapacity() {
           if (elements.length == size) {
               elements = Arrays.copyOf(elements, 2 * size + 1);
           }
       }
   }

2. 캐시 사용:

   • 객체를 캐시에 저장한 후 해당 객체를 더 이상 사용하지 않더라도, 캐시가 이 객체에 대한 참조를 유지하면 메모리 누수가 발생할 수 있다.

   • 해결 방법: WeakHashMap을 사용하여 캐시를 구현하면, 객체가 더 이상 사용되지 않을 때 자동으로 제거된다.

   import java.util.WeakHashMap;
   
   public class Cache {
       private WeakHashMap<Key, Value> cache = new WeakHashMap<>();
       
       public void put(Key key, Value value) {
           cache.put(key, value);
       }
   
       public Value get(Key key) {
           return cache.get(key);
       }
   }

3. 리스너와 콜백:

   • 리스너나 콜백을 등록한 후 해지하지 않으면, 해당 객체에 대한 참조가 계속 유지되어 메모리 누수가 발생할 수 있습니다.

   • 해결 방법: 약한 참조(weak reference)를 사용하여 리스너를 저장하면, 객체가 더 이상 사용되지 않을 때 가비지 컬렉터가 이를 회수할 수 있습니다.

   import java.lang.ref.WeakReference;
   import java.util.ArrayList;
   import java.util.List;
   
   public class EventSource {
       private List<WeakReference<Listener>> listeners = new ArrayList<>();
   
       public void addListener(Listener listener) {
           listeners.add(new WeakReference<>(listener));
       }
   
       public void notifyListeners() {
           for (WeakReference<Listener> ref : listeners) {
               Listener listener = ref.get();
               if (listener != null) {
                   listener.onEvent();
               }
           }
       }
   }

예방 방법

• 변수의 범위 최소화: 다 쓴 참조를 유효 범위 밖으로 밀어내어 자연스럽게 메모리 누수를 방어한다.

• 명시적 null 처리: 객체 사용이 끝난 후 참조를 null로 설정하여 가비지 컬렉터가 회수할 수 있도록 한다.

• 정기적인 코드 리뷰: 메모리 누수를 방지하기 위해 코드 리뷰를 통해 문제를 조기에 발견할 수 있다.

• 힙 프로파일러 사용: 메모리 사용량을 모니터링하고 누수를 추적할 수 있는 도구를 사용한다.

핵심 정리

메모리 누수는 시스템의 성능에 악영향을 미치며, 겉으로 드러나지 않아 발견하기 어려운 경우가 많다. 철저한 코드 리뷰와 적절한 메모리 관리 기법을 통해 이러한 문제를 예방하는 것이 중요하다.

메모리 누수 해결 방법

가장 간단한 해결 방법은 다 쓴 객체의 참조를 null로 명시적 해제 하는 것이다.

public Object pop() {
    if (size = 0)
        throw new EmptyStackException();
    Object result = elements[——size];
    elements [size] = null; // 다 쓴 참조 해제 return result;
}

만약 null 처리한 참조를 실수로 사용하려 하면 프로그램은 즉시 NullPointerException을 던지며 종료하면 된다. 프로그램 오류는 가능한 조기에 발견하는 것이 좋다.

여기서 중요한 점은 모든 객체 참조를 null로 설정하는 것은 좋은 습관이 아니며, 필요한 경우에만 사용해야 한다는 것이다.

예를 들어, 사용된 객체가 더 이상 필요하지 않다는 것이 명확한 경우에만 참조를 null로 설정하는 것이 좋다.

그러면, 객체를 언제 null로 참조 해제해야 할까?

1. 직접 관리하는 메모리 구조에서, 예를 들어 배열과 같은 자료 구조를 사용 시 필요

2. 오랜 시간동안 유지되면서 많은 객체 참조하는 경우, 참조 해제를 통해 메모리 사용을 줄일 수 있음

3. 해법은 여러가지 / WeakHashMap(엔트리가 살아 있는 캐시가 필요한 상황인경우에만)

   • https://blog.breakingthat.com/2018/08/26/java-collection-map-weakhashmap/

   • 보통 시간이 지날수록 엔트리의 가치를 떨어뜨리는 방식을 사용하는데, 이 경우에는 쓰지 않는 엔트리를 이따금 청소해줘야함

     • (예:백그라운드 스레드 활용 ScheduledThreadPoolExecutor / 새 엔트리를 추가할 때 부수 작업으로 수행하도록:LinkedHashMap의 removeEldesEntry메서드)

이 두 가지에 해당하지 않는 경우, 가비지 컬렉션이 대부분의 메모리 관리를 알아서 잘해주기 때문에 굳이 null 참조 설정하지 않아도 된다고 하며, 자바 21버전에서는 ZGC를 통해 메모리 자원을 효율적으로 관리하고 있다고 함

Introducing Generational ZGCjava

JVM과 Garbage Collection - G1GC vs ZGC천천히 올바르게

메모리 누수 방지 방법 요약

• 객체가 더 이상 필요하지 않을 때 명시적으로 참조를 제거하

• 사용 후에는 항상 ThreadLocal 및 스트림을 닫도록 함

• 정적 필드 대신 순간적인 객체를 생성하여 덜 유지되도록 설계한다.

결론적으로 웬만한 경우, 아닌 이상 자바에서 GC는 안 건들이는 게 좋다고 함... 특히 자바 버전이 높을 수록 성능은 더더욱 좋아지기 때문

참고 글 : https://comdolidol-i.tistory.com/433?category=955391