[C#] GC(Garbage Collection)

 

용어정리

• LOH (Large Object Heap) : 85kb보다 작은 메모리를 할당, 대다수의 객체들이 할당/해제되는 공간
• SOH (Small Object Heap) : 85kb보다 큰 사이즈의 메모리를 할당
• POH (Pinned Object Heap) : .NET 5.0부터 추가된 고정 메모리(Pinned Memory) 관리를 위한 공간

 

Garbage Collection 특징

• Garbage Collection은 메모리 관리 방법 중 하나로, 프로그램이 동적으로 할당했던 메모리 영역 중에 필요없어진 영역을 해제하는 기능이다. 줄여서 GC라고 부른다.
• CG는 시스템에서 더 이상 사용하지 않는 동적 할당된 메모리 블럭을 찾아 자동으로 재 사용 가능한 자원으로 회수하는 기능으로, Garbage Collection을 수행하는 부분을 Garbage Collector라고 부른다.
• C, C++와 같은 언어는 개발자가 메모리를 직접 관리 해줘야 했지만, C#, Java와 같은 언어는 GC가 메모리를 자동으로 관리해줌으로써 개발자가 무한한 메모리를 가진것처럼 개발을 할 수 있도록 지원한다.

 

Garbage Collection 장점

• 유효하지 않는 메모리 접근을 방지
• 메모리 이중 해제 방지
• 메모리 누수 방지

 

Garbage Collection 단점

• 메모리 해제를 결정하기 위해 비용 발생
• GC가 수행되는 시점과 시간을 예측하기 어려움
• 메모리 해제 시점을 알 수 없음

 

C#의 메모리 관리

• C# 애플리케이션이 실행되면 CLR이 해당 애플리케이션을 위한 메모리 공간을 제공한다.
• CLR에 의해 관리되기 때문에 Managed Heap이라 부른다.
• CLR은 메모리를 효율적으로 관리 하기 위해 세대를 나눈다. (세대가 낮을수록(0세대에 가까울수록) 메모리에서 빨리 해제됨)

0세대 : 최근에 생성된 객체
1세대 : 1회의 GC동안 살아남은 객체
2세대 : 2회 이상의 GC 동안 Heap 영역에 저장되어있는 객체

• C#에서 메모리 사이즈에 따라 SOH, LOH, POH로 구분하여 관리한다.
  • SOH는 GC 방식으로 메모리를 관리한다.
  • LOH는 GC에서 메모리 해제를 하지만 메모리 컴팩션이 발생하지 않는다. (용량이 큰 객체의 경우, 메모리 재배치에 대한 오버헤드가 크기 때문에 2세대 GC에서만 메모리를 해제)
  • POH : Pinned Memory는 메모리 포인터들을 고정시켜 GC에서 메모리 압축을 하지 못하도록 방해하여 데이터 단편화를 유발한다. 이러한 문제를 해소하기 위해 .NET 5.0 부터 추가된 Heap (GC.AllocateArray를 통해서 Blittable 형식만을 할당할 수 있도록 제한되어 있음)

 

C#의 Garbage Collection

• CLR안에는 가비지 컬렉션을 담당하는 가비지 컬렉터가 존재한다.
• C#으로 작성된 코드는 관리형 코드(Managed Code)에 속하며 CLR이 해당 코드에 대하여 메모리 할당, 스레딩 등의 관리와 함께 가비지 컬렉션의 역할도 책임진다. unsafe 키워드를 사용하면 비 관리형 코드(Unmanaged Code)로 구성할 수 있지만 CLR의 관리를 받을 수 없다.

 

C# Garbage Collection Methods

• C#에서 지원하는 GC의 Methods는 아래와 같다.

Method	기능
CG.Collect()	모든 세대(0~2세대)의 GC 즉시 수행
GC.Collect(int)	0세대에서 지정된 세대까지의 GC 즉시 수행
GC.CollectionCount(int)	지정된 세대의 개체에 대하여 GC가 수행된 횟수 반환 (GC 수행 모니터링을 위해 사용)
GC.GetGeneration(object)	Object의 현재 세대 반환
GC.MaxGeneration	현재 지원하는 가장 큰 세대 번호를 반환

 

GC 효율성 향상 방법 (메모리 최적화)

• C#에서 메모리 관리를 통해 GC 효율성을 향상시킬 수 있는 여러 방법이 있지만 대표적으로 아래와 같다.

1. string 사용 시, + 연산자보다 StringBuilder 사용 권장
- + 연산자를 사용하면 내부적으로 새로운 객체가 생성되고 기존 객체는 참조 없이 메모리에 쌓이게 된다.

2. 박싱/언박싱 유의
- 값 타입 → 참조 타입, 참조 타입 → 값 타입으로 변환하는 작업은 느리고 권장하지 않는 방법이다. 해당 작업이 일어날 때마다 Heap 메모리에 쌓이고 값이 복사된다.

3. using 키워드 사용
- using 키워드를 사용하면 괄호 {} 를 빠져나올 때 자동으로 Dispose를 하여 메모리를 관리할 수 있다.

4. 불필요한 List 사용 최소화
- C#의 List는 Linked List가 아닌 ArrayList와 같은 형태로 구성되어있다. List에 반복적인 Add, Remove 동작은 내부적으로 새로운 배열에 복사하는 구조이므로 메모리 관리에 취약하다.

5. Class 단일 원칙
- 하나의 CS파일에는 하나의 Class만 정의한다.

6. string 대소문자 구분 없이 비교 할 때 Compare 함수 사용
- string은 불변 객체이기 때문에 ToUpper(), ToLower() 메서드를 사용할 경우 불필요한 객체를 추가로 만들게되어 메모리 관리에 취약하다. string.Compare() 함수를 사용하면 불필요한 객체를 생성하지 않고 데이터 비교가 가능하다.

7. 복잡한 참조 관계 생성 안함
- 복잡한 참조 관계에서 GC가 수행되면 참조하고있는 메모리 주소를 전부 수정하며 오버헤드가 발생한다.

8. 루트 최소화
- GC는 루트 목록을 돌면서 해제할 객체를 찾아낸다. 루트 목록이 줄어들면 GC가 수행되는 횟수도 줄어들게 되며 성능 향상에 유리하다.

 

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C# 고성능 서버 - 메모리 단편화

.NET Framework: 1026. 닷넷 5에 추가된 POH (Pinned Object Heap)

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Internals of the POH - .NET Blog

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