C#) Grbage Collector

C#에서의 가비지 컬렉터 동작 원리와 메모리 관리

 

C# 메모리 구조: 힙(Heap)과 스택(Stack)

C#에서 메모리 관리는 크게 두 가지 영역으로 나뉩니다: 스택(Stack)과 힙(Heap)입니다. 이 두 영역은 서로 다른 방식으로 메모리를 관리하며, 가비지 컬렉터는 주로 힙(Heap) 메모리를 관리하는 역할을 합니다.

1. 스택 영역(Stack)

스택은 함수 호출 시 지역 변수와 매개 변수를 저장하는 메모리 공간입니다. 스택에 저장되는 데이터는 컴파일 타임에 크기가 결정되는 값 타입(Value Type)입니다. 예를 들어 int, float, bool, struct와 같은 값 타입은 모두 스택에 저장됩니다.

• LIFO(Last In, First Out) 구조로, 마지막에 들어간 데이터가 가장 먼저 나옵니다.
• 함수가 호출될 때 스택에 메모리가 할당되고, 함수가 종료되면 해당 메모리가 자동으로 해제됩니다.
• 메모리 관리가 매우 빠르고 간단하지만, 한정된 크기를 가지며, 복잡한 객체를 저장하기에는 적합하지 않습니다.

2. 힙 영역(Heap)

힙은 주로 참조 타입(Reference Type) 데이터를 저장하는 영역입니다. 클래스 객체, 배열, 델리게이트, 문자열 같은 참조 타입은 힙에 저장되며, 이들에 대한 참조(포인터)가 스택에 저장됩니다.

• 힙은 동적 메모리 할당이 일어나는 곳으로, 크기와 수명이 유동적인 데이터를 저장합니다.
• 참조 타입이 생성되면 힙에 메모리가 할당되고, 해당 메모리의 주소가 스택에 저장됩니다. 이 주소를 통해 참조 타입 객체에 접근할 수 있습니다.
• 힙에 저장된 객체는 명시적으로 해제되지 않으며, 사용되지 않게 되면 가비지 컬렉터가 이를 자동으로 정리합니다.

가비지 컬렉터(Garbage Collector)의 동작 원리

가비지 컬렉터는 힙 영역에서 사용되지 않는 객체를 찾아 자동으로 메모리를 회수하는 역할을 합니다. 이는 개발자가 직접 메모리 해제를 신경 쓸 필요 없이, 프로그램이 종료되거나 메모리 부족 상황에서 메모리가 누적되는 것을 방지해 줍니다.

세대별(Generational) 가비지 컬렉션

C#의 가비지 컬렉터는 세대(Generation) 개념을 도입하여, 객체의 수명 주기에 따라 다른 방식으로 메모리를 관리합니다. 가비지 컬렉터는 세 가지 세대로 나누어 객체를 관리합니다.

• 세대 0 (Generation 0): 새롭게 할당된 객체들이 저장됩니다. 세대 0은 가장 빠르게 수집되며, 수명이 짧은 객체들이 주로 이 영역에 할당됩니다. 일시적으로 사용되는 많은 객체들은 세대 0에서 메모리가 회수됩니다.
• 세대 1 (Generation 1): 세대 0의 가비지 컬렉션에서 살아남은 객체들이 이곳으로 이동합니다. 보통 중간 수명의 객체들이 여기에 속합니다.
• 세대 2 (Generation 2): 여러 번의 가비지 컬렉션에서 살아남은 장기 객체들이 이곳에 있습니다. 긴 수명을 가진 객체들, 예를 들어 애플리케이션 전반에 걸쳐 사용되는 객체는 세대 2에 머무르게 됩니다.

가비지 컬렉션 과정

1. 루트(Root) 탐색: 가비지 컬렉터는 먼저 프로그램의 루트 객체, 즉 스택, CPU 레지스터, 정적 변수 등의 루트 참조를 찾아냅니다. 이 루트 객체들은 살아 있는 객체들을 참조할 수 있습니다.
2. 객체 그래프 추적: 루트 참조에서 연결된 모든 객체들을 탐색하여 사용 중인 객체를 추적합니다. 이러한 객체들은 가비지 컬렉션 대상에서 제외됩니다.
3. 사용되지 않는 객체(가비지) 식별: 루트 참조에서 도달할 수 없는 객체는 더 이상 사용되지 않는 객체로 간주되며, 가비지로 식별됩니다.
4. 메모리 회수: 가비지로 식별된 객체들의 메모리는 해제되어 다시 사용 가능한 상태로 반환됩니다. 메모리가 해제되는 과정에서 **종료자(Finalizer)**가 호출될 수 있으며, 이 종료자는 객체가 해제되기 전에 특별한 작업을 수행할 수 있습니다.

세대별 수집 전략

• 세대 0 수집: 가비지 컬렉터는 세대 0을 자주 수집합니다. 이는 짧은 수명의 객체들이 이 영역에 집중되기 때문입니다. 대부분의 객체는 세대 0에서 생성되고, 가비지 컬렉션을 통해 곧바로 메모리에서 해제됩니다.
• 세대 1 및 2 수집: 세대 0에서 가비지 컬렉션이 반복되면서 살아남은 객체는 세대 1, 그 후에는 세대 2로 이동합니다. 세대 2는 가장 오래된 객체들이 머무는 영역이므로, 세대 0에 비해 덜 자주 수집됩니다.

이러한 세대별 수집 전략을 통해, 가비지 컬렉터는 자주 사용되는 객체는 빠르게 수집하면서도 장기적으로 사용되는 객체는 수집 빈도를 줄임으로써 성능을 최적화합니다.

가비지 컬렉터의 동작 시점

가비지 컬렉션은 다음과 같은 시점에 실행됩니다.

• 메모리 부족: 힙 영역에 더 이상 객체를 저장할 공간이 부족할 때.
• 가비지 컬렉션이 필요하다고 판단될 때: 애플리케이션이 메모리를 지나치게 많이 사용하고 있을 때.
• 명시적인 호출: 개발자가 GC.Collect()를 호출하여 가비지 컬렉션을 강제로 실행할 때.

가비지 컬렉터는 최적의 성능을 위해 비동기로 실행됩니다. 즉, 프로그램의 실행과 별도로 가비지 컬렉션이 수행되어, 메모리 관리를 위해 프로그램의 성능에 직접적인 영향을 주지 않도록 합니다. 그러나 가비지 컬렉션이 발생할 때는 잠시 실행 중인 프로그램의 모든 스레드를 멈추고 메모리 정리를 수행하기 때문에, 성능이 중요한 애플리케이션에서는 가비지 컬렉션의 발생 시점을 잘 관리해야 합니다.

힙의 세부 구조

C#의 힙 메모리는 단순히 하나의 공간으로 구성되지 않으며, **큰 객체 힙(LOH, Large Object Heap)**과 **소형 객체 힙(SOH, Small Object Heap)**으로 나뉩니다.

• 소형 객체 힙(Small Object Heap, SOH): 크기가 작고 자주 사용되는 객체들이 저장됩니다. 일반적으로 크기가 85,000바이트 미만인 객체는 소형 객체 힙에 할당됩니다.
• 큰 객체 힙(Large Object Heap, LOH): 크기가 큰 객체(85,000바이트 이상)가 할당되는 힙 영역입니다. 큰 객체는 소형 객체와 달리 가비지 컬렉션의 성능에 더 큰 영향을 미치기 때문에, LOH는 가비지 컬렉터가 더 신중하게 관리합니다.

LOH는 세대별 관리가 적용되지 않고, 수집이 발생할 때마다 주기적으로 정리됩니다. 이는 큰 객체의 수집 비용이 더 크기 때문에 성능에 미치는 영향을 최소화하기 위한 방법입니다.

결론

C#의 가비지 컬렉터는 힙 메모리에서 사용되지 않는 객체를 자동으로 회수하여 메모리 누수를 방지하는 중요한 역할을 합니다. 스택과 힙의 구분, 세대별 가비지 컬렉션 전략, 그리고 특정 시점에서 수동으로 가비지 컬렉션을 제어하는 방법을 이해하면, 더 나은 메모리 관리와 성능 최적화를 이룰 수 있습니다.

가비지 컬렉터는 자동으로 동작하지만, 프로젝트의 성격에 따라 이를 적절히 제어하거나 커스터마이징할 수 있는 능력은 C# 개발자로서 중요한 역량입니다.