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메모리 누수 위험있는 FinalReference 참조 분석하기

김진광 2023.10.12

Java에서 가장 많이 접하는 문제는 무엇이라 생각하시나요? 바로 리소스 부족 특히 ‘JVM(Java Virtual Machine) 메모리 부족 오류’가 아닐까 생각해요.

메모리 부족 원인에는 우리가 일반적으로 자주 접하는 누수, 긴 생명주기, 다량의 데이터 처리 등 몇 가지 패턴들이 있는데요. 오늘은 좀 일반적이지 않은(?) 유형에 대해 이야기해 볼게요!

Java 객체 참조 시스템은 강력한 참조 외에도 4가지 참조를 구현해요. 바로 성능과 확장성 기타 고려사항에 대한 SoftReference, WeakReference, PhantomReference, FinalReference이죠. 이번 포스팅은 FinalReference를 대표적인 사례로 다루어 볼게요.

PART1. 분석툴을 활용해 메모리 누수 발생 원인 파악하기

메모리 분석 도구를 통해 힙 덤프(Heap Dump)를 분석할 때, java.lang.ref.Finalizer 객체가 많은 메모리를 점유하는 경우가 있어요. 이 클래스는 FinalReference와 불가분의 관계에요. 나눌 수 없는 관계라는 의미죠.

아래 그림 사례는 힙 메모리(Heap Memory)의 지속적인 증가 후 최대 Heap에 근접 도달 시, 서비스 무응답 현상에 빠지는 분석 사례인데요. 이를 통해 FinalReference 참조가 메모리 누수를 발생시킬 수 있는 조건을 살펴볼게요!

Heap Analyzer 분석툴을 활용하여, 힙 덤프 전체 메모리 요약 현황을 볼게요. java.lang.ref.Finalizer의 점유율이 메모리의 대부분을 점유하고 있죠. 여기서 Finalizer는, 앞에서 언급된 FinalReference를 확장하여 구현한 클래스에요.

JVM은 GC(Garbage Collection) 실행 시 해제 대상 객체(Object)를 수집하기 전, Finalize를 처리해야 해요.

Java Object 클래스에는 아래 그림과 같이 Finalize 메서드(Method)가 존재하는데요. 모든 객체가 Finalize 대상은 아니에요.

JVM은 클래스 로드 시, Finalize 메서드가 재정의(Override)된 객체를 식별해요. 객체 생성 시에는 Finalizer.register() 메서드를 통해, 해당 객체를 참조하는 Finalizer 객체를 생성하죠.

그다음은 Unfinalized 체인(Chain)에 등록해요. 이러한 객체는 GC 발생 시 즉시 Heap에서 수집되진 않아요. Finalizer의 대기 큐(Queue)에 들어가 객체에 재정의된 Finalize 처리를 위해 대기(Pending) 상태에 놓여있죠.

위 그림과 같이 참조 트리(Tree)를 확인해 보면, 많은 Finalizer 객체가 체인처럼 연결되어 있어요. 그럼 Finalizer 객체가 실제 참조하고 있는 객체는 무엇인지 바로 살펴볼까요?

그림에 나온 바와 같이 PostgreSql JDBC Driver의 org.postgresql.jdbc3g.Jdbc3gPreparedStatement인 점을 확인할 수 있어요. 해당 시스템은 PostgreSql DB를 사용하고 있었네요.

이처럼 Finalizer 참조 객체 대부분은 Jdbc3gPreparedStatement 객체임을 알 수 있어요. 여기서 Statement 객체는, DB에 SQL Query를 실행하기 위한 객체에요.

그렇다면, 아직 Finalize 처리되지 않은 Statement 객체가 증가하는 이유는 무엇일까요?

먼저 해당 Statement 객체는 실제로 어디서 참조하는지 살펴볼게요. 해당 객체는 TimerThread가 참조하는 TaskQueue에 들어가 있어요. 해당 Timer는 Postgresql Driver의 CancelTimer이죠.

해당 Timer의 작업 큐를 확인해 보면 PostgreSql Statement 객체와 관련된 Task 객체도 알 수도 있어요.

그럼 org.postgresql.jdbc3g.Jdbc3gPreparedStatement 클래스가 어떻게 동작하는지 자세히 알아볼까요?

org.postgresql.jdbc3g.Jdbc3gPreparedStatement는 org.postgresql.jdbc2.AbstractJdbc2Statement의 상속 클래스이며 finalize() 메서드를 재정의한 클래스에요. Finalize 처리를 위해 객체 생성 시, JVM에 의해 Finalizer 체인으로 등록되죠.

위와 같은 코드로 보아 CancelTimer는, Query 실행 후 일정 시간이 지나면 자동으로 TimeOut 취소 처리를 위한 Timer에요.

정해진 시간 내에 정상적으로 Query가 수행되고 객체를 종료(Close) 시, Timer를 취소하도록 되어 있어요. 이때 취소된 Task는 상태 값만 변경되고, 실제로는 Timer의 큐에서 아직 사라지진 않아요.

Timer에 등록된 작업은, TimerThread에 의해 순차적으로 처리돼요. Task는 TimerThread에서 처리를 해야 비로소 큐에서 제거되거든요.

이때 가져온 Task는 취소 상태가 아니며, 처리 시간에 아직 도달하지 않은 경우 해당 Task의 실행 예정 시간까지 대기해야 돼요.

여기서 문제점이 발생해요. 이 대기 시간이 길어지면 TimerThread의 처리가 지연되기 때문이죠. 이후 대기 Task들은 상태 여부에 상관없이, 큐에 지속적으로 남아있게 돼요.

만약 오랜 시간 동안 처리가 진행되지 않는다면, 여러 번의 Minor GC 발생 후 참조 객체들은 영구 영역(Old Gen)으로 이동될 수 있어요.

영구 영역으로 이동된 객체는, 메모리에 즉시 제거되지 못하고 오랜 기간 남게 되죠. 이는 Old(Full) GC를 발생시켜 시스템 부하를 유발하게 해요. 실제로 시스템에 설정된 TimeOut 값은 3,000초(50분)에요.

Finalizer 참조 객체는 GC 발생 시, 즉시 메모리에서 수집되지 않고 Finalize 처리를 위한 대기 큐에 들어가요. 그다음 FinalizerThread에 의해 Finalize 처리 후 GC 발생 시 비로소 제거되죠. 때문에 리소스의 수집 처리가 지연될 수 있어요.

또한 FinalizerThread 스레드는 우선순위가 낮아요. Finalize 처리 객체가 많은 경우, CPU 리소스가 상대적으로 부족해지면 개체의 Finalize 메서드 실행을 지연하게 만들어요. 처리되지 못한 객체는 누적되게 만들죠.

요약한다면 FinalReference 참조 객체의 잘못된 관리는 1) 객체의 재 참조를 유발 2) 불필요한 객체의 누적을 유발 3) Finalize 처리 지연으로 인한 리소스 누적을 유발하게 해요.

PART2. 제니우스 APM을 통해 Finalize 객체를 모니터링하는 방법

Zenius APM에서는 JVM 메모리를 모니터링하고 분석하기 위한, 다양한 데이터를 수집하고 있어요. 상단에서 보았던 FinalReference 참조 객체의 현황에 대한 항목도 확인할 수 있죠. APM 모니터링을 통해 Finalize 처리에 대한 문제 발생 가능성도 ‘사전’에 확인 할 수 있답니다!

위에 있는 그림은 Finalize 처리 대기(Pending)중인 객체의 개수를 확인 가능한 컴포넌트에요.

이외에도 영역별 메모리 현황 정보와 GC 처리 현황에 대해서도 다양한 정보를 확인 할 수 있어요!

이상으로 Finalize 처리 객체에 의한 리소스 문제 발생 가능성을, 사례를 통해 살펴봤어요. 서비스에 리소스 문제가 발생하고 있다면, 꼭 도움이 되었길 바라요!

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©참고 자료

◾ uxys, http://www.uxys.com/html/JavaKfjs/20200117/101590.html

◾ Peter Lawrey, 「is memory leak? why java.lang.ref.Finalizer eat so much memory」, stackoverflow, https://stackoverflow.com/questions/8355064/is-memory-leak-why-java-lang-ref-finalizer-eat-so-much-memory

◾ Florian Weimer, 「Performance issues with Java finalizersenyo」, enyo,

https://www.enyo.de/fw/notes/java-gc-finalizers.html

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김진광APM팀(개발3그룹)

개발3그룹 APM팀에서 제품 개발과 기술 지원을 담당하고 있습니다.

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Zenius는 여러 인프라 장비 혹은 서버의 데이터를 수집하고, 사용자가 수집한 데이터를 원하는 형태로 볼 수 있도록 보고서를 제공해주고 있습니다. 고객사의 요구사항에 따라 어느 데이터를 어떤 형태로 볼지는 달라지지만, 하나의 보고서를 만드는 프로세스와 설계는 동일하기 때문에 이 기간에 꼭 보고서가 생성되는 프로세스를 잘 이해하고 넘어가야 합니다. 개인적으로는 이 기간에 가장 많은 깨달음을 얻었습니다. 또, 이 기간엔 'OzReport'라는 다소 낯선 툴에 대해서도 배워야 하는데요. Report 교육을 받으러 본사에도 다녀오긴 하지만, 그것만으로는 심히 부족해 팀원분들에게 매우 많은 도움을 받아야 하는 기간이기도 합니다. 물론 언제나 그랬듯이 정말 친절하고 알 때까지 친절히 설명해 주신답니다! 그리고 언제나처럼 발표를 하게 되는데요. 보고서를 만들 때 꼭 알아야 하고, 실수하기 쉬운 부분들 전반에 대해 피드백을 주십니다. 이렇게 마지막 발표까지 3번의 발표를 모두 마치면 시용평가가 끝이 나게 됩니다! 그리고 이렇게 3개월을 마치고 나면 팀이 어떻게 돌아가는지, 내가 무슨 일을 해야 하고 그 일을 하기 위해서 무엇이 부족한지 그리고 그 부족함은 어떻게 채워나가야 하는지 스스로 깨닫게 되고 팀의 일원으로 자연스럽게 섞일 수 있게 되는 것 같습니다. 2. 업무 시용평가가 끝나면 본격적으로 개발 요청 업무를 맡아 진행하게 됩니다. 2차 발표에서 말했던 것처럼 [업무설명> 개발> 검토> 관리자 테스트> QA테스트> 배포]의 순서로 한 사이클이 진행됩니다. Java/Spirng, javaScript, postgreSql을 사용하고, 백/프론트를 나누지 않고 전체적으로 아울러 개발합니다. 본인이 잘 모르거나 부족한 부분이 있을 경우, 회사에 교육 신청서를 내서 인강을 지원받을 수 있습니다.(*참고로 시용평가 3개월 기간에는 의무로 3가지 인강을 듣습니다. 과제의 진행 상황이 스스로 여유롭다고 판단되면 업무 시간 중 강의를 수강하는 것도 가능합니다. 이후로는 자유롭게 필요한 인강을 선택해 신청하면 됩니다.) 업무는 모두 문서화돼 관리하고 있습니다. 조금 더 자세히 설명하자면, 먼저 회사 내부에 등록된 업무(팀에서는 일감이라도 부릅니다.) 문서를 통해 개발요건과 공수를 확인합니다. 고객사마다 패키지가 다르므로 각각의 개발환경을 세팅하게 되는데요. 이 과정에서 만약 신규 고객사라면 고객사의 테스트서버와 배포 폴더를 생성하는 등의 일을 하게 됩니다.(SVN과 Jenkins를 사용합니다.) 이러한 내용들 또한 문서화돼 있어, 신입 사원 교육과정의 일부로 차근히 알려주시기 때문에 혹시 모르는 개념이 있으시더라도 너무 걱정하실 필요 없습니다! 모든 건 다 정말 친절히 알려주시고 적응할 때까지 기다려주시니까요. 가장 중요한 건, 개발기간을 지켜야 한다는 점인데! 보시는 것처럼 주어진 업무마다 개발일정이 정해져 있는데요. 개발일정을 픽스하기 전에 먼저 기간 내에 특이사항은 없는지, 공수는 충분한지 등을 확인 차 물어봐 주세요. 이 때 뭔가 특이사항이 있거나, 공수가 모자라다고 생각된다면 사유를 말씀드리고 일정을 수정할 수 있습니다. 예를 들면, 휴가! 휴가가 있다면 피해서 일정을 잡아주세요. 참고로 휴가는 미리 말만 한다면 언제든 자유롭게 사용할 수 있습니다. 업무 자체가 타이트하게 관리되기도 하고, 아까 말씀드린 것처럼 모든 업무가 문서화돼 관리하고 있다는 게 장점인 만큼, 개발자도 개발요청을 하면서 문서로 기록해둬야 하는 일이 많다는 얘기이기도 한데요. 그래서 저희 팀에 가장 필요한 성격 중 하나는 꼼꼼함과 정확함이 아닐까 합니다. 실제로 성준님께서도 “속도보다는 정확함이 중요하다!” 라는 말씀을 신입 사원 면담 때 해주시기도 했거든요! 그리고 이건 팀에 맞는 인재인지를 판별하는데 꽤 중요하게 작용하는 것 같다고 생각합니다. 본인이 정해진 일정 속에서 체계적으로 일하는 걸 선호하거나, 신입 사원으로서 팀에 잘 적응해 나가기 위해 항상 나를 돌봐주는(?) 누군가가 필요한 편이라면 저희 팀은 굉장히 좋은 선택이 되지 않을까 합니다. 3. 신입 사원 공유회의 마지막으로 소개하고 싶은 건 신입사원 공유회의입니다. 개인적으로 회의라기보다는 스터디에 가깝다고 생각하는데요. 신입 사원을 대상으로 1차 평가가 끝난 이후 매주 화, 목에 1시간씩 6개월 이상 동안 진행되고, 1주일에 하나씩 Zenius나 회사 업무와 관련해 알게 된 지식을 정리해 공유하고 발표하는 자리입니다. 신입 사원 공유회의라고는 하지만 신입 사원끼리만 진행하는 건 아니고 저희 이사님이신 성준님도 함께하는데요. 그렇기 때문에 사실 시용평가는 끝났지만 발표는 계속된다…의 느낌이기도 합니다.(발표를 하다 보면 내용이 길어지기도 하고, 알려주시는 것도 많아 지기 때문에 사실 1시간 내에 끝난 적은 별로 없습니다.) 부담되지 않는다면 거짓말이겠지만 실로 엄청나게 도움이 되고, 업무에 국한되지 않고 더 깊고 근본적인 지식을 많이 얻어갈 수 있는 자리입니다. 일단, 나도 모르게 더 좋은 개발자가 될 수 있도록 생각의 근간을 뜯어고치는 느낌이고, 하나의 내용에 대해서도 심도 있게 다루는 시간이기 때문에 발표는 부담스럽지만 알아가는 자체가 즐겁고 재밌습니다! 사실 신입 사원 공유회의를 하고 난 뒤에 “가장 많이 뭔가 스스로 발전했다!”라고 느끼게 되는 것 같아요. ---------------------------------- 사실 아직도 신입이고 저희 팀을 100% 안다고 할 수 없지만, 분명히 말씀드릴 수 있는 건! 인프라웹팀은 입사 당시에 많이 부족했던 제가 한 명의 개발자로서 잘 적응할 수 있을 만큼 신입 사원을 위한 프로세스가 잘 갖춰져 있다는 것입니다. 프로세스마다 코드리뷰를 통해 개발을 하면서 기본적으로 가져야 할 개념이나 마인드 그리고 고쳐야 할 습관들을 알려주시고, 나아가 공부해야 할 부분도 알려주시기 때문에 느리더라도 확실하게 발전해 나갈 수 있습니다. 그리고 이런 과정을 통해 스스로 “더 좋은 개발자로 성장할 수 있겠다”라는 확신을 가질 수 있습니다. 너무 장점만 소개해드린 건 아닌가 싶지만, 저는 정말 다니면서 단점이라고 느낄만한 부분을 아직은 찾지 못했어요! (굳이 따지자면 신입 사원 공유회의의 발표가 매주 있다는 것이 다소 부담스럽다는 점…. 하지만 이 또한 본인의 마음가짐에 따라 즐길 수 있는 부분이지 않을까요?! 실력은 확실히 느니까요!) 이 글이 예비 브레인저에게 조금이나마 도움이 되면 너무 기쁠 것 같습니다. 혹시 지원을 망설이고 계시거나 걱정하는 분이 이 글을 읽으면서 “와, 브레인즈컴퍼니 좋다! 나도 지원해야지!”라는 생각이 들면 좋겠네요. 이렇게 약 5개월 간의 신입 사원 적응기를 마무리하겠습니다! 2023.02.02