.NET (CLR) 힙 메모리 구조와 GC (그런데 JVM 과 비교를 곁들인....)

NET (CLR) 힙 메모리구조와 GC 에 대해서 그리고 JVM 힙과 GC와의 차이점을 함께 이야기 해보겠습니다.

1️⃣힙메모리 관점

🟦.NET

.NET의 힙은 크게 주요한 두가지 영역으로 나누어집니다. SOH(Small Object Heap), LOH(Large Object Heap) 이렇게 두가지가 있습니다.

1. Small Object Heap(SOH, 작은 객체 힙)

• 크기가 작은 객체(85KB 미만)를 저장하는 기본적인 힙 영역
• 세대(Generation)로 관리됩니다. (Gen 0, Gen 1, Gen 2)
• SOH 에선 가비지 컬렉터(GC)가 자주 실행됩니다.

 

2. Large Object Heap(LOH, 대형 객체 힙)

• 85KB(85,000바이트) 이상 크기의 객체가 저장됩니다.
• Gen 2 세대에서만 가비지 컬렉션(GC)이 실행됨 (SOH보다 GC 빈도가 낮음)
• 조각화(Fragmentation) 문제가 발생할 가능성이 있습니다.(외부 단편화)
• 주로 대용량 배열(Array), 이미지 데이터, JSON/XML 데이터, 캐시 데이터 등이 저장됩니다.

 

여기에 플러스 알파로 Pinned Object Heap이 있습니다.

 

 

3. Pinned Object Heap(POH, 고정 객체 힙) (C# 8부터 지원)

• GC가 이동하지 않는 객체를 위한 별도의 힙 영역
• 네이티브 메모리와 연동될 때 유용하다고 합니다. (예: PInvoke, 고정된 버퍼)

 

예시

예시로 다음과 같다면 메모리 상 어느 영역에 저장될지 유추해 볼 수 있습니다.

byte[] smallArray = new byte[10_000];  // SOH에 저장됨
byte[] largeArray = new byte[100_000]; // LOH에 저장됨 (85KB 이상)

LOH 에선 고비용의 GC가 일어나고 조각화 현상도 일어날 수 있기 때문에 효율적으로 사용해야합니다.
LOH를 효율적으로 사용할 수 있는 방법으론 다음과 같습니다.

✔ 85KB 미만이면 LOH를 사용하지 않으므로, 크기가 작은 객체는 가능한 한 작게 유지

✔ 대용량 배열 사용 시, 여러 개의 작은 배열로 나누어 LOH 사용을 최소화

✔ GC 실행 시 LOH 압축을 수행하여 메모리 조각화 방지

✔ 기본적으로 .NET GC는 LOH를 압축하지 않지만, 명시적으로 압축을 실행할 수 있습니다.

✔ LOH 압축을 수행하면, 남아있는 객체들이 연속된 공간으로 정리되어 조각화 문제를 해결할 수 있습니다.

✔ 단, GC 실행 비용이 크므로 자주 실행하는 것은 권장되지 않습니다.

🟩JVM

JVM의 힙 영역은 객체의 크기를 기준으로 나누고 있지 않습니다. 세대를 기준으로 나누고 있습니다. 이렇게 나눈 이유는 약한 세대 가설(Weak Generational Hypothesis)을 기반으로 했기 때문입니다.

약한 세대 가설이란 
1.대부분의 객체는 젊어서 죽는다.
2. 오래된 객체에서 젊은 객체로의 참조는 아주 적게 존재한다.

 

이 가설을 바탕으로 Heap 메모리에서 Young Generation과 Old Generation 영역이 탄생했습니다 .

1. Young Generation

• 새롭게 생성된 객체가 저장되는 공간입니다.
• 크기가 작고, 수명이 짧은 객체들이 주로 저장됩니다.
• Eden과 2가지 Survivor(From, To) 영역으로 구성됩니다.

 

Eden 영역은 C#의 GEN0 과 비슷한 기능을 하면서 처음으로 할당된 객체가 위치하게 됩니다. 이때 이후로 살아 남게 되면 Survivor(0, 1) 를 번갈아가면 존재하게 됩니다.

예를 들어 Survivor 0 영역에 객체가 다 차게 되면 청소작업이 이루어지는 데 이걸 Minor GC 라고 합니다. 변수와 연결이 끊어져 더이상 참조하지 않는 객체를 소멸시키고 살아남은 객체들은 Survivor 1 영역으로 옮기게 됩니다. 그리고 카운트 횟수가 오르게 되고, 이과정을 반복(0 →1, 1 → 0, 0 → 1 ....)하다가 카운트의 임계값을 넘기면 Old Generation 영역으로 옮기게 됩니다.

Young Generation은 GC 실행이 빈번하며, 비용이 적습니다. (Minor GC 수행)

 

2. Old Generation

• 오래 살아남은 객체가 저장되는 공간으로 Young Generation에서 오랫동안 살아남은 객체가 이동하는 영역입니다.
• 크기가 크고, 수명이 긴 객체들이 저장됩니다.
• Old Generation에선 GC 실행이 Young Generation보다 덜 빈번하지만, 실행 비용이 큽니다. (Major GC 수행)

추가적으로 PermanentGeneration도 있었지만 JVM8 이상부터 Metaspace로 대체 되었습니다.

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2️⃣ GC

 

🟦.NET

.NET의 GC는 객체를 생성된 시점과 생존 시간에 따라 세 개의 세대(Generation)로 관리합니다.

이 방식은 JVM의 Young Generation(Young Gen)과 Old Generation(Old Gen)과 개념적으로 비슷합니다.


1. Gen 0 (Generation 0)

• 가장 최근에 생성된 객체
• 크기가 작고, 대부분의 객체가 짧은 생명 주기를 가집니다.

 

2. Gen 1 (Generation 1)

• Gen 0에서 살아남은 객체
• 중간 단계, 오래 살아남는 객체로 이동 가능합니다.

3. Gen 2 (Generation 2, Old Gen)

• 가장 오래된 객체
• 장기적으로 유지되는 객체, GC 실행 빈도가 낮습니다.

 

객체가 처음 생성되면 Gen 0에 할당되고, GC가 실행될 때 살아남은 객체는 Gen 1으로 이동, 이후 계속 살아남으면 Gen 2로 이동합니다.

🟩JVM

JVM 은 위에서 간략하게 설명한 바와 같습니다.

1. Young Generation (Young Gen)

• 새로 생성된 객체가 저장됩니다.
• Eden, Survivor(From, To)로 세분화됩니다.

2. Old Generation (Old Gen)

• Young Gen에서 살아남은 객체들이 존재합니다.
• 장기간 유지되는 객체입니다.

 

동작 순서

1. 객체 생성 → Eden 영역에 저장 (Young Gen)

2. GC 실행 후 살아남으면 Survivor 영역으로 이동

3. 여러 번 GC를 통과하면 Old Generation으로 이동

4. Old Generation이 가득 차면 Major GC(Full GC) 실행됩니다.



JVM 에서 GC 는 버전이 업될 때마다 여러 차례 변화를 겪었습니다. 그중에서 8저번 이후 모델이 핵심 모델인데요.

Minor GC 에는 멀티 스레딩, Major GC 에는 단일 스레딩 형식입니다. 왜냐하면 마이너 GC가 더 빈번하게 이뤄지고, 메이저 GC 는 비교적 덜 일어나기 때문입니다. 꼭 이런 형식만을 사용하는 것은 아닙니다. 21, 17 버전 등에서 여러 GC 형태가 나왔고 혼용하여 사용중입니다.

GC는 메모리 관리를 자동화하여 개발자의 부담을 줄이는 장점이 있지만, 자동 관리로 인해 예상치 못한 성능 문제나 부작용이 발생할 수도 있습니다.

1. GC 실행 타이밍이 예측 불가능 → 성능 저하 (Stop-The-World, STW 발생)

2. GC가 모든 메모리 누수를 방지하지 못합니다.

3. 비관리 리소스(파일, 소켓, DB 연결 등)는 GC가 관리하지 않습니다.


따라서 프로그램 서비스 특성에 따라 적절한  GC 튜닝을 요구할 수 있습니다.