C#은 강력한 형식(strongly typed), 어휘 범위(lexically scoped), 함수형(functional), 객체 지향(object-oriented) 및 구성 요소 지향(component-oriented) 프로그래밍 언어이다. 이런 C# 코드는 어떻게 컴파일되고 실행되는지, 또한 C#에서의 가비지 컬렉터의 역할을 살펴보고자 한다.
1. C# 코드 컴파일 단계별 프로세스
1) C# 코드를 작성한다.
2) C# 컴파일러를 사용해서 코드 컴파일을 진행한다. 이때 컴파일러는 코드에 오류가 있는지 살핀다.
3) 컴파일러의 결과물로 .exe나 .dll이 나온다. (바로 실행할 수 있는 결과물은 아님)
소스 코드는 Common Intermediate Language (공통 중간 언어, CIL) 또는 Intermediate Language Code (중간 언어 코드, ILC 또는 IL코드)라고 하는 중간 코드로 변환된다.
- C#은 플랫폼 독립적 언어이므로 CIL, IL 코드는 모든 운영체제에서 실행할 수 있다.
4) Common Language Runtime(공통 언어 런타임, CLR)이라고 알려진 가상 머신 구성요소를 이용하여 CIL 또는 IL 코드를 네이티브 코드 또는 기계가 이해가능한 코드로 변환한다.
- CLR(Common Language Runtime)
마이크로소프트 사의 .NET 프레임워크의 기본이자, .NET 프레임워크 가상머신(Virtual Maction(VM)의 구성요소이다. CLR은 CIL을 운영체제가 이해할 수 있는 코드로 변환하는 역할을 한다.
이 과정을 Just-In-Time(JIT) 컴파일 혹은 Dynamic Compilation 이라고 한다. 이 방식은 프로그램이 실행되는 런타임 동안에만 코드를 컴파일한다.
- JIT Compiler(Just-in-time complation)
프로그램을 실행하는 시점에 기계어로 번역하는 컴파일 기법이다. 이 기법은 CIL을 읽으며 해당 기능에 대응하는 기계어 코드를 생성하면서 그 코드를 캐싱하기 때문에, 같은 함수가 여러 번 불릴 때 매번 기계어 코드를 생성하는 것을 방지한다.
이와 같은 과정을 거쳐 C# 컴파일러는 주어진 C# 코드에 대한 결과를 반환한다.
2. 가비지 컬렉터(Garbage Collector)란
C#에서는 가비지 컬렉터(이하 GC)라는 메모리의 할당, 해제를 관리하는 관리자가 존재하기 때문에 사용자가 직접 메모리를 해제할 필요가 없다. 메모리 관리가 필요한 C, C++과 같은 언어에 비해서는 상대적으로 편리하지만, 그렇다고 사용자가 메모리 관리에 전혀 신경 쓸 필요가 없다는 뜻은 아니다.
GC 호출 시 다른 스레드들을 일시정지하고 GC가 실행되기 때문에, 너무 잦은 GC 호출은 프로그램의 성능을 하락시킬 수 있다.
가비지 컬렉터(Garbage Collector, GC)
'더이상 참조할 수 없게 된 객체'인 '가비지'를 수집하는 시스템 (C#, 자바에서 사용)
프로그램을 실행하다 보면, 더이상 쓰지 않는 변수나 함수 같은 것이 존재하게 될 것이다. 하지만 메모리라는 것이 데이터를 저장하는 공간이 유한할 것이니, 언젠가는 필요없는 데이터를 지워야 할 때가 올 것이다. 그런 메모리 관리가 필요한 것은 분명함에도, C#에서는 직접적으로 해 본 적은 없었을 것이다.
메모리 관리를 위해 불필요한 데이터를 지워주는 역할을 하는 것이 GC이다.
3. 가비지 컬렉터의 작동 원리
C# 프로그램은 실행되면 CLR이 해당 어플리케이션을 위한 메모리 공간을 제공하며, CLR에 의해 관리되기 때문에 이를 Managed Heap이라 부른다. 각 어플리케이션은 실행되면서 자신의 Managed Heap의 첫 주소를 가리키는 포인터를 가진다.
이때 힙 메모리를 참조하는 필드는 루트 목록으로 관리되며, 동적으로 힙 메모리를 할당할 때마다 루트 목록과 힙이 연결된다. Managed Heap의 포인터는 메모리를 할당해줄 때마다 할당한 메모리만큼 이동하여 연속된 다음 주소를 가리킨다.
이와 같이 힙 메모리를 할당하면서 메모리 포인터가 이동하기 시작한다. 이런 식으로 데이터가 누적이 되어가면서, 일정 수준 이상 메모리 공간이 찼을 때 GC가 실행된다.
GC는 그 주기가 시작되었을 때 첫 번째로 Marking 단계를 진행한다.
처음엔 모든 Object를 가비지로 정하고, 루트 목록을 돌면서 각 루트의 참조를 마킹한다. 그리고 마킹한 Object에서 다른 Object를 참조하면 또 마킹하는 식으로 위와 같은 그래프를 만든다.
그렇게 모든 마킹을 마치고 나서, GC 루트에 도달할 수 없는 Object를 가비지로 간주한다.
가비지인 Object와 아닌 것을 판별하고 나서, 가비지를 해제(Sweep)하고, 빈 공간만큼의 인접한 Object들을 메모리 복사를 통해 덮어씌운다.
이와 같은 과정을 거치는 동안 다른 프로세스를 멈추기에(오버헤드 발생), GC가 자주 실행되면 소프웨어의 성능하락 문제가 생길 수 있다.
4. 가비지 컬렉터의 효율 높이기-Generation
GC는 힙을 순회하면서 Object의 참조를 확인하여 가비지 여부를 판단하는 과정이 있고, 이 부분에서 시간이 많이 소요된다. 따라서 이에 따른 오버헤드를 줄여주기 위해서 사용하는 방법이 Generation 개념이다.
GC는 효율적인 수집을 위해 각 객체들에게 세대를 매긴다.
- 생성 시기가 최근이고 가비지 컬렉팅을 겪지 않은 객체 : 0세대
- 가비지 컬렉팅을 1번 겪었지만 해제되지 않은 객체 : 1세대
- 가비지 컬렉팅을 2번 겪었지만 해제되지 않은 객체 : 2세대
가비지 컬렉팅을 여러 번 겪었지만 해제되지 않은 객체는, 이후로도 해제될 확률이 낮을 거라 판단하는 방식이다.
따라서 가비지 컬렉팅을 할 때 0세대부터 실행하고, 그러고도 필요한 메모리를 확보하지 못하면 0세대와 1세대까지 포함하여 시행, 그럼에도 메모리 확보가 불가능할 시 2세대까지 포함하여 진행하는 방식이다.
5. 가비지의 발생 원인, 예방 방법
GC는 위와 같이 메모리 정리에 대한 프로그래머의 부담을 덜어주는 유용한 시스템이다. 하지만 GC 자체가 많이 작동한다는 것 자체가 프로그램의 성능 하락의 요소가 될 수 있으므로, GC가 많이 발생하지 않도록 관리하는 것이 프로그래머로서의 과제라 할 수 있다.
그렇다면 가비지가 발생하는 원인이 무엇이며 어떻게 예방해야 할까?
- 객체를 지나치게 힙에 많이 할당하는 것.
- 힙에 85,000바이트 이상의 매우 큰 객체를 할당하면 LOH(Large Object Heap)이라는 특수 케이스로 분류되어 2세대로 분류된다. 이는 Full GC의 원인이 되므로 지양하도록 한다.
- 참조 관계 최소화하고, 참조 형식의 데이터(배열, 리스트 등)의 과도한 사용을 피한다.
- 루트를 많이 만들지 말 것. GC가 루트를 순회할 시간을 줄여준다.
위와 같은 4가지 요소와 더불어, 특히나 string 과 + 연산을 쓰지 말아야 할 원인도 여기에 있었다.
string 변수에 + 연산으로 문자 추가 시 원본 뒤에 그대로 추가되는 것이 아니라, 뒤에 붙일 문자열과 합친 새로운 문자열을 생성하고 변수가 새로운 문자열을 가리키게 된다. 이때 원본 문자열에 더이상 접근할 수 없게 되므로 매 실행마다 가비지가 발생하게 된다.
이와 같은 문제를 방지하기 위해서 string 변수 대신에 StringBuilder 클래스를 사용하는 방식도 있다고 한다. 이런 가비지 컬렉터의 기능과 프로그램의 성능과 관련된 부분을 유념해야 할 것이다.
6. 요약
- C# 코드 컴파일 프로세스
- C# 코드 작성 -> C# 컴파일러의 컴파일 -> CIL/IL 등의 코드 변환 -> CLR의 JIT 컴파일 과정 (가상 머신의 CIL 변환 과정) -> 결과 출력
- 가비지 컬렉터
- 더이상 참조할 수 없게 된 객체인 가비지를 수집하는 시스템
- Marking, Sweeping 단계를 통해 Managed Heap을 관리
- 효율성을 높이기 위한 Generation 개념
- 가비지를 늘리지 않는 방법
- 객체의 할당을 줄인다
- 매우 큰 객체의 할당을 피한다
- 참조 관계를 최소화
- 루트를 적게 만들 것
참고자료
(가비지 컬렉터-이미지 참조)
https://velog.io/@cedongne/C-%EA%B0%80%EB%B9%84%EC%A7%80-%EC%BB%AC%EB%A0%89%ED%84%B0
(가비지 컬렉터)
https://sam0308.tistory.com/22
