아이템7 - 다 쓴 객체 참조를 해제하라

C, C++처럼 메모리를 직접 관리해야 하는 언어와는 달리, 자바는 가비지 컬렉터를 가지고있다. 다 쓴 객체를 알아서 회수해가니 얼마나 편리하겠는가? 하지만 이를 자칫 메모리 관리에 더 이상 신경 쓰지 않아도 된다고 오해할 수 있는데, 절대 그렇지 않다. 

아래의 코드는 스택을 간단히 구현한 코드이다.

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];
    }
    
    /**
    * 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);
    }
}

겉으로 보기에는 큰 문제가 없어보인다. 그리고 실제로 별의별 테스트를 수행해도 거뜬히 통과할 것이다. 하지만 꼭꼭 숨어 있는 문제가 있다. 이는 바로 '메모리 누수'로, 이 스택을 사용하는 프로그램을 오래 실행하다 보면 점차 가비지 컬렉션 활동과 메모리 사용량이 늘어나 결국 성능이 저하될 것이다. 드문 경우긴 하지만 심할 때는 디스크 페이징이나 OutOfMemoryError를 일으켜 프로그램이 예기치 않게 종료되기도 한다. 

앞 메모리의 누수는 어디서 일어날까? 이 코드에서 스택이 커졌다가 줄어들었을 때 스택에서 꺼내진 객체들을 가비지 컬렉터가 회수하지 않는다. 프로그램에서 그 객체들을 더 이상 사용하지 않더라도 말이다. 이 스택이 그 객체들의 다 쓴 참조를 여전히 가지고 있기 때문이다. 여기서 다 쓴 참조란 문자 그대로 앞으로 다시 쓰지 않을 참조를 뜻한다. 앞의 코드에서 elements 배열의 '활성 영역' 밖의 참조들이 모두 여기에 해당한다. 활성 영역은 인덱스가 size보다 작은 원소들로 구성된다. 

가비지 컬렉션 언어에서는 메모리 누수를 찾기가 아주 까다롭다. 객체 참조 하나를 살려두면 가비지 컬렉터를 그 객체뿐 아니라 그 객체가 참조하는 모든 객체를 회수해가지 못한다. 그래서 단 몇 개의 객체가 매우 많은 객체를 회수되지 못하게 할 수 있고 잠재적으로 성능에 악영향을 줄 수 있다. 

해법은 간단하다. 해당 참조를 다 썼을 때 null 처리(참조 해제)하면 된다. 예시의 스택 클래스에서는 각 원소의 참조가 더 이상 필요 없어지는 시점은 스택에서 꺼내질 때다. 다음은 pop 메서드를 제대로 구현한 모습이다. 

public Object pop() {
    if (size == 0)
        throw new EmptyStackException();
    Object result = elements[--size];
    elements[size] = null;
    return result;
}

다 쓴 참조를 null 처리하면 다른 이점도 따라온다. 만약 null 처리한 참조를 실수로 사용하려 하면 프로그램은 즉시 NullPointerException을 던지며 종료된다. 프로그램 오류는 가능한 한 조기에 발견하는 게 좋다. 

이 문제로 크게 데인 적이 있는 프로그래머는 모든 객체를 다 쓰자마자 일일이 null 처리하는 데 혈안이 되기도 한다. 하지만 그럴 필요도 없고 바람직하지도 않다. 프로그램을 필요 이상으로 지저분하게 만들 뿐이다. 객체 참조를 null 처리하는 일은 예외적인 경우여야 한다. 다 쓴 참조를 해제하는 가장 좋은 방법은 그 참조를 담은 변수를 유효 범위(scope) 밖으로 밀어내는 것이다. 여러분이 변수의 범위를 최소가 되게 정의했다면(아이템 57) 이 일은 자연스럽게 이뤄진다.

그렇다면 null 처리는 언제 해야 할까? Stack 클래스는 왜 메모리 누수에 취약한 걸까? 바로 스택이 자기 메모리를 직접 관리하기 때문이다. 이 스책은 elements 배열로 저장소 풀을 만들어 원소들을 관리한다. 배열의 활성 영역에 속한 원소들이 사용되고 비활성 영역은 쓰이지 않는다. 문제는 가비지 컬렉터는 이 사실을 알 길이 없다는 데 있다. 가비지 컬렉터가 보기에는 비활성 영역에서 참조하는 객체도 똑같이 유효한 객체다. 비활성 영역의 객체가 더 이상 쓸모없다는 건 프로그래머만 아는 사실이다. 그러므로 프로그래머는 비활성 영역이 되는 순간 null 처리해서 해당 객체를 더는 쓰지 않을 것임을 가비지 컬렉터에 알려야 한다. 일반적으로 자기 메모리를 직접 관리하는 클래스라면 프로그래머는 항시 메모리 누수에 주의해야 한다. 원소를 다 사용한 즉시 그 원소가 참조한 객체들을 다 null 처리해줘야 한다. 

캐시 역시 메모리 누수를 일으키는 주범이다. 객체 참조를 캐시에 넣고 나서, 이 사실을 까맣게 잊은 채 그 객체를 다 쓴 뒤로도 한참을 그냥 놔두는 일을 자주 접할 수 있다. 해법은 여러가지다. 운 좋게 캐시 외부에서 키를 참조하는 동안만 엔트리가 살아 있는 캐시가 필요한 상황이라면 WeakHashgMap을 사용해 캐시를 만들자. 다 쓴 엔트리는 그 즉시 자동으로 제거될 것이다. 단, WeakHashMap은 이러한 상황에서만 유용하다는 사실을 기억하자. 

캐시를 만들 때 보통은 캐시 엔트리의 유효 기간을 정확히 정의하기 어렵기 때문에 시간이 지날수록 엔트리의 가치를 떨어뜨리는 방식을 흔히 사용한다. 이런 방식에서는 쓰지 않는 엔트리를 이따금 청소해줘야 한다. 백그라운드 스레드를 활용하거나 캐시에 새 엔트리를 추가할 때 부수 작업으로 수행하는 방법이 있다. EldestEntry 메서드를 써서 후자의 방식으로 처리한다. 더 복잡한 캐시를 만들고 싶다면 java.lang.ref 패키지를 직접 활용해야 할 것이다.

메모리 누수의 세 번째 주범은 바로 리스너(listener) 혹은 콜백(callback)이라 부르는 것이다. 클라이언트가 콜백을 등록만 하고 명확히 해지하지 않는다면, 뭔가 조치해주지 않는 한 콜백은 계속 쌓여갈 것이다. 이럴 때 콜백을 약한참조(weak reference)로 저장하면 가비지 컬렉터가 즉시 수거해간다. 예를들어 WeakHashMap에 키로 저장하면 된다. 

핵심 정리

메모리 누수는 겉으로 잘 드러나지 않아 시스템에 수년간 잠복하는 사례도 있다. 이런 누수는 철저한 코드 리뷰나 힙 프로파일러 같은 디버깅 도구를 동원해야만 발견되기도 한다. 그래서 이런 종류의 문제는 예방법을 익혀두는 것이 매우 중요하다.