메모리는 언제 해제될까: 스택, 힙, 가비지 컬렉션

관리 화면을 한 페이지 앱(single-page application, SPA)으로 만들었다. 보고서 페이지와 목록 페이지를 몇십 번 오가면 탭이 눈에 띄게 굼떠진다. 브라우저 작업 관리자를 열어 보니 탭 메모리가 페이지를 옮길 때마다 늘기만 하고 줄지 않는다. 힙 스냅숏(heap snapshot)을 찍어 보면 이미 떠난 보고서 페이지의 표 데이터가 그대로 남아 있다.

JavaScript와 Python에는 free()가 없다. 다 쓴 객체는 가비지 컬렉터(garbage collector, GC)가 알아서 치운다. 그런데 "다 쓴 객체"를 GC는 무엇으로 알아볼까? 떠난 페이지의 데이터는 왜 다 쓴 객체로 보이지 않았을까? 이 장은 GC가 객체를 살리고 치우는 규칙을 코드로 직접 돌려 본다.

스택과 힙: 함수가 끝나도 남는 것

함수를 부르면 그 호출의 지역 변수를 담는 칸이 생기고, 함수가 끝나면 그 칸이 통째로 사라진다. 호출이 쌓였다가 거꾸로 빠지니 이 칸들의 모음을 콜 스택(call stack)이라 하고, 칸 하나를 스택 프레임(stack frame)이라 한다. 객체와 배열은 함수 호출과 상관없이 오래 살 수 있어야 하므로 별도 공간인 힙(heap)에 만든다. 변수에는 그 객체를 가리키는 참조(reference)가 들어 있다.

function loadRows() {
  const limit = 1000
  const rows = new Array(limit).fill(0) // 배열 자체는 힙에
  return rows.length
}

loadRows()가 끝나면 프레임과 함께 limit, rows 변수가 사라진다. 하지만 힙의 배열은 그 순간 저절로 사라지지 않는다. 다른 곳에서 이 배열을 가리키고 있을지도 모르기 때문이다. 힙의 객체를 언제 치워도 되는지 판단하는 일이 GC의 몫이다. 이 장은 "변수는 프레임에, 객체는 힙에"라는 단순한 모델로 본다. 실제 엔진은 최적화로 이 모델과 다르게 저장하기도 한다.

닿을 수 없으면 다 쓴 것이다

GC는 "이 객체를 앞으로 쓸까?"를 알 수 없다. 대신 더 쉬운 질문으로 바꾼다. 지금 실행 중인 코드가 참조를 따라가서 이 객체에 닿을 수 있나? 출발점은 루트(root)다. 전역 객체, 호출 중인 함수들의 지역 변수가 루트다. 루트에서 참조를 따라 닿는 객체는 도달 가능(reachable)하고, 닿지 않는 객체는 다시 쓰일 방법이 없으니 치워도 된다(수거, garbage collection)(MDN: 메모리 관리).

이 규칙을 그대로 구현한 것이 마크 앤 스윕(mark-and-sweep)이다. 루트에서 출발해 닿는 객체마다 표시(mark)하고, 다 돌면 표시 없는 객체를 쓸어 낸다(sweep). MDN은 현재 모든 주요 JavaScript 엔진이 마크 앤 스윕 계열 GC를 쓴다고 적고 있다(MDN: 메모리 관리).

1const refs: Record<string, string[]> = { A: ['B'], B: ['C'], C: [], D: ['E'], E: ['D'] }2const roots = ['A']3const marked: Record<string, boolean> = {}4const stack = [...roots]5while (stack.length > 0) {6  const node = stack.pop()!7  if (node in marked) continue8  marked[node] = true9  for (const child of refs[node]) {10    stack.push(child)11  }12}13const freed: string[] = []14for (const name of Object.keys(refs)) {15  if (!(name in marked)) freed.push(name)16}17console.log(`살림: ${Object.keys(marked).join(', ')}`)18console.log(`수거: ${freed.join(', ')}`)

살림: A, B, C
수거: D, E

언제 치울까: V8의 세대, CPython의 카운트

닿는 객체를 매번 힙 전체에서 찾으면 비싸다. V8은 "대부분의 객체는 만들어지고 곧 쓸모가 없어진다"는 세대 가설(generational hypothesis)을 이용한다. 힙을 젊은 세대(young generation)와 늙은 세대(old generation)로 나누고, 새 객체가 모이는 젊은 세대는 작은 GC(Scavenger)로 자주 치운다. 힙 전체는 큰 GC(Mark-Compact)가 맡는다. V8은 GC 작업 일부를 도우미 스레드(helper thread, 스레드는 3장)로 넘긴다. JavaScript를 잠시 멈추고 메인 스레드와 도우미 스레드가 GC를 나눠 하거나(parallel), JavaScript가 도는 동안 도우미 스레드가 뒤에서 한다(concurrent)(V8 블로그: Trash talk, 2019). GC가 언제 돌지는 엔진이 정하고, 코드에서 정할 수 없다. 이름은 몰라도 된다. "작은 GC 자주, 큰 GC 가끔"만 기억하면 된다.

CPython은 방식이 다르다. 객체마다 자기를 가리키는 참조 수를 세 두고, 그 수가 0이 되면 바로 치우는 참조 카운팅(reference counting)이 기본이다. 다만 서로를 가리키는 순환은 카운트가 0이 되지 않아서, 순환을 찾는 수거기를 따로 둔다(Python 문서: 데이터 모델). 이것이 gc 모듈이다. 문서는 이 수거기가 참조 카운팅을 보충하는 것이라, 순환을 만들지 않는다고 확신하면 꺼도 된다고 설명한다(Python 문서: gc). sys.getrefcount(x)로 카운트를 볼 수 있지만, 인자로 넘기며 생긴 참조 하나가 더 붙고 일부 객체는 아주 큰 값을 돌려주니 정확한 수로 믿지는 말라고 한다(Python 문서: sys.getrefcount).

데이터 모델 문서는 "닿지 않게 된 객체가 바로 치워진다"는 데 기대지 말고 파일은 직접 닫으라고 한다. 바로 치우는 것은 지금 CPython 구현의 성질이지 언어의 약속이 아니다.

GC가 있어도 새는 메모리

GC는 닿지 않는 객체만 치운다. 그러니 누수(leak)는 "다 쓴 객체로 가는 길을 코드가 남겨 둔 것"이다. 실무에서 자주 보는 길은 세 가지다.

• 지우지 않은 이벤트 리스너·타이머: 전역 객체(window)에 등록한 핸들러와 setInterval 콜백은 루트에서 닿는다. 그 함수가 클로저로 잡은 변수도 함께 살아남는다. removeEventListener로 지우거나, addEventListener에 signal 옵션을 넘기고 AbortController.abort()로 한꺼번에 지운다(MDN: addEventListener). 타이머는 clearInterval로 멈춘다.
• 끝없이 자라는 캐시: 모듈 전역의 Map에 넣기만 하고 빼지 않으면 넣은 값은 영원히 닿는다. 개수 상한을 두거나(LRU 캐시, 5장에서 만든다), 키가 객체라면 WeakMap을 쓴다. LRU(least recently used)는 가장 오래 안 쓴 항목부터 버리는 규칙이다. WeakMap의 키는 GC를 막지 않는다. 대신 키를 나열할 수 없고 키는 객체여야 한다(MDN: WeakMap). WeakRef도 있지만 언제 수거될지 보장이 거의 없어 MDN은 되도록 피하라고 한다(MDN: 메모리 관리).
• 큰 객체를 붙잡은 클로저: 오래 사는 함수가 큰 배열 전체를 클로저로 잡으면, 필요한 값이 길이 하나뿐이어도 배열 전체가 남는다. 필요한 값만 꺼내 변수에 담아 두고 그 변수를 쓴다.

Python에도 같은 도구가 있다. weakref.WeakValueDictionary는 값을 약한 참조(weak reference)로 들고 있어서, 다른 곳에서 그 값을 더는 가리키지 않으면 항목이 저절로 빠진다. 문서가 드는 주된 쓰임새가 큰 객체 캐시다(Python 문서: weakref). Node.js 서버에서 힙이 자라는 것을 스냅숏으로 좇는 방법은 운영 Node 프로세스의 메모리 누수 찾기 노트에 있다.

refs = { page: ['header', 'list'], header: [], list: ['item'], item: ['list'] }
수거: page, header
남음: list, item