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by 강진우 Mar 13. 2019

CMS GC, NewRatio 튜닝하기

ElasticSearch

ElasticSearch (이하 ES) 클러스터를 운영하면서 가장 어려움을 겪는 문제 중에 하나는 역시 GC 모니터링이 아닐까 합니다. 저희도 클러스터를 운영하면서 힙 메모리에 대한 이슈를 해결하기 위해 Task Cancelling (https://brunch.co.kr/@alden/40), G1 GC 적용 (https://brunch.co.kr/@alden/45) 등등 많은 노력을 했습니다. 이번 글 역시 GC와 관련된 글이며, 기본으로 사용하는 CMS GC를 유지한 상태로 튜닝했던 사례를 이야기해 볼까 합니다. G1 GC로 변경하는 게 아직 걱정되시는 분들에게는 도움이 될 수도 있을 것 같습니다. 참고로 이 튜닝은 함께 업무를 하고 있는 카카오 시스템 엔지니어 정송화 님이 며칠간의 추적과 리서치 끝에 적용한 건입니다. (단지 제가 브런치를 쓰고 있어서 허락을 받고 정리만 해 봅니다. ^^)

문제의 발단

우선 어떤 문제를 겪고 있었는지에 대해 살펴보겠습니다. 운영하고 있는 여러 ES 클러스터 중 하나에서 잦은 Old GC와 간혹 발생하는 초 단위의 Pause Time이 확인되었습니다. 이로 인해 클러스터의 성능에 이슈가 있는 상태였습니다.

잦은 Old GC와 초 단위의 Pause Time 문제

위 그림에서 볼 수 있듯이 힙 메모리 영역의 사용률이 급격하게 늘었다가 줄어드는 형태를 보이고 있었으며 하루에도 몇 번씩 Old GC가 발생했습니다. 또한 간헐적으로 초 단위의 Pause Time이 발생하는 경우도 있었습니다. 보통 이런 경우에는 GC 방식을 변경해 본다거나 힙 메모리 증설 혹은 데이터 노드의 증설 등을 통해서 문제를 해결해 왔습니다. 하지만, 뭔가 다른 이슈가 있을 것 같다는 엔지니어의 촉(?)이 발동하게 되었고 이 이슈에 대해 조금 더 깊게 살펴보기로 했습니다.

Young 영역과 Old 영역

본격적인 이야기를 하기 전에 Young 영역과 Old 영역에 대한 이야기를 해보겠습니다. 자바의 힙 메모리는 아래와 같이 영역이 나뉘어 있습니다.

힙 메모리와 GC의 관계 (출처 : https://mirinae312.github.io/develop/2018/06/04/jvm_gc.html)

위 그림에서 볼 수 있듯이 최초 생성된 객체는 Eden 영역에 생성되며 수차례의 GC가 발생하는 동안에 Survivor 영역을 이동하고, 끝까지 살아남은 객체는 Old 영역으로 이동합니다. 그리고 Old 영역에 있는 객체들을 지우는 과정이 Old GC이며 가장 큰 Pause Time을 발생시킵니다. 우리가 위에서 문제로 제기했던 것이 바로 이 Old 영역에 대한 Old GC가 너무 자주 발생하는 것이었습니다.

GC에 대한 조금 더 자세한 이야기는 https://mirinae312.github.io/develop/2018/06/04/jvm_gc.html 을 참고하시기 바랍니다.

Survivor 영역이 작으면 벌어지는 일들

그래서 jstatd와 VisualVM을 이용해서 GC가 발생하는 과정을 조금 더 시각화해 보기로 했습니다. 아래는 VisualVM의 플러그인 중 하나인 Visual GC로 확인한 GC 과정입니다.

VIsual GC를 이요한 GC 과정의 시각화

위 그림을 잘 보시면 Eden 영역이 아주 빠르게 차오르고 Survivor 영역들의 사용량도 꽤 높다는 것을 볼 수 있습니다. Young 영역에 대한 GC 과정만 조금 더 자세히 살펴보겠습니다.

Young 영역에 대한 GC 과정

Survivor 영역의 사용률을 보면 재미있는 사실을 확인할 수 있는데요, 사용률이 거의 100%에 육박하는 것을 볼 수 있습니다.

이것은 Eden에서 Survivor로 넘어가야 하는 객체들이 Survivor 영역의 용량이 부족해서 Survivor를 거치지 않고 Old 영역으로 바로 넘어갈 수 있다는 것을 의미합니다.

즉, 굳이 Old 영역으로 넘어가지 않아도 되는 객체들이 Survivor 영역의 용량 부족으로 인해 넘어가게 되고 이로 인해 불필요하게 Old 영역의 사용률이 증가될 수 있습니다.

그리고 잦은 Old GC로 인해 Old 영역의 메모리 단편화가 심해지고 간헐적으로 Compaction이 발생하게 됩니다. CMS GC에서 Compaction 은 굉장히 시간이 많이 소요되는 무거운 작업이며 이로 인해서 간헐적으로 초 단위의 Pause Time이 발생하게 됩니다.

즉 문제의 원인은 불필요하게 Old 영역에 객체가 저장되는 것이었습니다. 그럼 어떻게 Old 영역으로의 이동을 최소화할 수 있을까요?

NewRatio와 SurvivorRatio 튜닝

CMS GC는 튜닝을 하지 않으면 Young 영역과 Old 영역이 1:9로 설정됩니다. 만약 30GB의 힙 메모리를 사용한다면 Young 영역은 3GB, Old 영역은 27GB가 됩니다. 그리고 Young 영역은 다시 Eden과 Survivor0, 1 이렇게 3개의 영역으로 나뉘며 역시 별다른 튜닝을 하지 않으면 8:1:1로 설정됩니다. 그래서 Eden은 2.4GB, Survivor0과 1은 각각 0.3GB를 나눠 가집니다. 30GB라는 큰 힙 메모리를 잡아도 Survivor 영역이 0.3GB 밖에 안되기 때문에 만약 Young GC 발생 시 Survivor로 넘어와야 하는 객체의 총 양이 0.3GB를 넘게 된다면 바로 Old 영역으로 넘어가버립니다. 따라서 NewRatio와 SurvivorRatio를 조절해서 Young 영역을 조금 더 늘린다면 Old 영역으로 넘어오는 객체의 양을 줄일 수 있습니다.

아래는 튜닝에 적용한 값입니다.

-XX:NewRatio=2
-XX:SurvivorRatio=6

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=80 #기본값은 75

이렇게 튜닝하면 Young 영역과 Old 영역은 1:2가 되고 Young 영역 중에서 Eden과 Survivor의 비율은 6:1:1이 됩니다. 만약 30GB의 힙 메모리를 사용한다면 Eden은 7.5GB Survivor는 각각 1.25GB씩, 마지막으로 Old 영역은 20GB가 됩니다.

CMSInitiatingOccupancyFraction 이 값은 CMS GC에서 Old 영역의 사용률이 어느 정도 되었을 때 Old GC를 수행할 것인지를 결정하는 값이며 백분율을 의미합니다. ES에서 사용하는 기본값은 75%입니다. 우리는 NewRatio를 통해 Old 영역을 줄였기 때문에 이 값도 함께 변경해 주어야 합니다. 그래서 이 값을 80으로 변경했습니다.

이 값들을 종합적으로 정리하면 아래와 같습니다.

Eden 영역의 크기 : 7.5GB
Survivor 0 영역의 크기 : 1.25GB
Survivor 1 영역의 크기 : 1.25GB
Old 영역의 크기 : 20GB
Old GC가 발생하는 타이밍 : Old 영역의 사용량이 16GB가 되었을 때

위 값은 저희가 운영 중인 클러스터에 어울리는 값이며 워크로드에 따라 NewRatio를 더 늘려야 할 수도 있습니다. 가장 좋은 방법은 값을 조금씩 바꿔보면서 GC 과정을 확인해 보는 게 가장 좋습니다.

튜닝 결과

그래서 위와 같이 튜닝하게 된 후 어떤 효과가 있었을까요? 아래 그림은 튜닝 후 GC 모니터링 화면입니다.

튜닝 후 GC 모니터링 화면

기존과 비교해 봤을 때 Old GC의 발생 빈도가 현저하게 줄었으며, 힙 메모리의 사용 패턴도 훨씬 보기 좋아졌습니다. 위 클러스터는 특히 로그의 크기 자체가 크기도 했기 때문에 Young GC 발생 시 이동해야 할 객체의 크기가 컸고, Young 영역을 늘린 효과가 컸습니다.