.NET GC & 메모리 관리 심화

개요

.NET GC는 자동으로 메모리를 관리하지만 잘못된 코드는 GC 압박(GC pressure)과 Stop-the-World 정지를 유발합니다. GC 동작 원리를 이해하면 불필요한 할당을 줄이고 지연 시간을 낮출 수 있습니다.

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1. 세대별 GC 구조

Generation 0 (Gen0) — 단기 객체 (최근 할당)
Generation 1 (Gen1) — Gen0 생존자 (중간)
Generation 2 (Gen2) — 장기 객체 (전체 수집)

Large Object Heap (LOH) — 85,000 바이트 이상 객체

• Gen0 수집: 매우 빠름 (수 ms), 자주 발생
• Gen2 수집: 느림 (수십 ms~초), Stop-the-World
• LOH: 기본적으로 압축 없음 → 단편화 유발

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2. GC 통계 확인

using System;
using System.Runtime;

// GC 수집 횟수
Console.WriteLine($"Gen0: {GC.CollectionCount(0)}");
Console.WriteLine($"Gen1: {GC.CollectionCount(1)}");
Console.WriteLine($"Gen2: {GC.CollectionCount(2)}");

// 총 할당 메모리
Console.WriteLine($"총 할당: {GC.GetTotalAllocatedBytes(precise: false) / 1024 / 1024} MB");

// 힙 정보
var info = GC.GetGCMemoryInfo();
Console.WriteLine($"힙 크기: {info.HeapSizeBytes / 1024 / 1024} MB");
Console.WriteLine($"단편화: {info.FragmentedBytes / 1024} KB");

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3. ArrayPool — 배열 재사용

using System.Buffers;

// 나쁜 예: 매 요청마다 배열 할당
byte[] ProcessRequest(Stream stream)
{
    byte[] buffer = new byte[4096]; // GC 압박
    stream.Read(buffer, 0, buffer.Length);
    return buffer;
}

// 좋은 예: ArrayPool 재사용
byte[] ProcessRequest(Stream stream)
{
    byte[] buffer = ArrayPool<byte>.Shared.Rent(4096);
    try
    {
        stream.Read(buffer, 0, buffer.Length);
        return buffer.ToArray(); // 복사 후 풀에 반납
    }
    finally
    {
        ArrayPool<byte>.Shared.Return(buffer, clearArray: true);
    }
}

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4. Span으로 할당 없는 슬라이싱

using System;

// 나쁜 예: 매번 새 문자열 할당
string[] parts = input.Split(','); // 힙 할당

// 좋은 예: Span으로 Zero-allocation 파싱
void ParseCsv(ReadOnlySpan<char> line)
{
    while (!line.IsEmpty)
    {
        int comma = line.IndexOf(',');
        ReadOnlySpan<char> field = comma < 0 ? line : line[..comma];
        ProcessField(field); // 할당 없음
        line = comma < 0 ? default : line[(comma + 1)..];
    }
}

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5. 객체 풀링 — ObjectPool

using Microsoft.Extensions.ObjectPool;

// 무거운 객체 풀링
public class ExpensiveObject
{
    public byte[] Buffer { get; } = new byte[64 * 1024];
    public void Reset() { /* 상태 초기화 */ }
}

public class ExpensiveObjectPolicy : IPooledObjectPolicy<ExpensiveObject>
{
    public ExpensiveObject Create() => new ExpensiveObject();
    public bool Return(ExpensiveObject obj)
    {
        obj.Reset();
        return true;
    }
}

// DI 등록
services.AddSingleton<ObjectPool<ExpensiveObject>>(sp =>
{
    var provider = new DefaultObjectPoolProvider();
    return provider.Create(new ExpensiveObjectPolicy());
});

// 사용
var obj = pool.Get();
try { /* 작업 */ }
finally { pool.Return(obj); }

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6. LOH 단편화 방지

// LOH 압축 활성화 (단발성 수집 전)
GCSettings.LargeObjectHeapCompactionMode =
    GCLargeObjectHeapCompactionMode.CompactOnce;
GC.Collect();

// 85KB 이상 배열은 ArrayPool 또는 NativeMemory 사용
using System.Runtime.InteropServices;

nint ptr = NativeMemory.Alloc(1024 * 1024); // LOH 우회
try { /* 사용 */ }
finally { NativeMemory.Free(ptr); }

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7. GC 서버 모드 vs 워크스테이션 모드

runtimeconfig.json

{
  "configProperties": {
    "System.GC.Server": true,          // 서버 모드 (멀티코어 최적화)
    "System.GC.Concurrent": true,      // 백그라운드 GC
    "System.GC.HeapHardLimit": 536870912 // 최대 힙 512MB
  }
}

항목	워크스테이션	서버
GC 스레드	1개	코어당 1개
처리량	낮음	높음
지연 시간	낮음	높을 수 있음
적합 대상	데스크톱 앱	ASP.NET Core, 서비스

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8. 진단 도구

# dotnet-counters로 실시간 GC 모니터링
dotnet-counters monitor --process-id <PID> System.Runtime

# dotnet-trace로 GC 이벤트 수집
dotnet-trace collect --process-id <PID> --providers Microsoft-Windows-DotNETRuntime

# PerfView / dotnet-dump로 힙 스냅샷 분석

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9. GCSettings — 지연 시간 모드 제어

using System.Runtime;

// 지연 시간 최소화가 중요한 구간에서 GC 억제
GCSettings.LatencyMode = GCLatencyMode.SustainedLowLatency;

try
{
    // 실시간 처리 구간 (예: 금융 거래, 게임 프레임)
    ProcessCriticalSection();
}
finally
{
    GCSettings.LatencyMode = GCLatencyMode.Interactive; // 원복
}

// 짧은 GC 억제 구간 (NoGCRegion)
bool entered = GC.TryStartNoGCRegion(16 * 1024 * 1024); // 16MB 보장
try
{
    UltraLowLatencyWork();
}
finally
{
    if (GC.IsInNoGCRegion())
        GC.EndNoGCRegion();
}

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10. runtimeconfig.json GC 튜닝

// runtimeconfig.json (또는 앱 이름.runtimeconfig.json)
{
  "configProperties": {
    "System.GC.Server": true,
    "System.GC.Concurrent": true,
    "System.GC.HeapHardLimit": 1073741824,
    "System.GC.HeapHardLimitPercent": 75,
    "System.GC.HighMemoryPercent": 90
  }
}

옵션	설명
GC.Server	서버 GC 활성화 (코어당 힙)
GC.Concurrent	백그라운드 GC (앱 일시 정지 최소화)
GC.HeapHardLimit	힙 최대 바이트 (컨테이너 환경 필수)
GC.HighMemoryPercent	고메모리 임계값 (이 이상이면 적극 수집)

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정리

.NET GC 최적화의 핵심은 Gen2 수집과 LOH 할당을 줄이는 것입니다. 루프 내 단기 배열은 ArrayPool로, 문자열 파싱은 Span<T>으로, 무거운 객체는 ObjectPool로 교체하면 GC 압박이 크게 줄어듭니다. 실시간성이 요구되는 구간은 GCSettings.LatencyMode나 GC.TryStartNoGCRegion으로 GC를 일시 억제하고, 컨테이너 배포 시 HeapHardLimit으로 메모리 한도를 명시적으로 설정하세요.