C# 메모리 관리: GC, IDisposable, async/await 완벽 가이드

📌 학습 목표 (Learning Goals)

• 값/참조 형식과 스택/힙의 관계, 박싱/언박싱의 비용을 명확히 설명한다.
• .NET GC의 세대(Gen0/1/2), LOH/POH, Compact/Non-compacting, Server/Workstation 모드와 트리거를 설명한다.
• IDisposable 패턴 / IAsyncDisposable 패턴과 using 및 await using, 파이널라이저, SafeHandle, GC.SuppressFinalize의 역할과 모범 구현을 제시한다.
• async/await의 상태 머신, 컨텍스트 캡처, 할당/클로저 비용, ValueTask, ConfigureAwait(false)의 의미를 실전 예제로 설명한다.
• Unity/게임·서버 시나리오에서의 메모리/GC 튜닝 원칙을 제시한다. (참고: 준비 예정 → Unity 메모리 최적화 -> link 만들것)

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🧠 C# 메모리 모델 한 장 요약

[스택]           |  [힙]
-----------------|-------------------------------------------
메서드 프레임     | 참조형 인스턴스 (class, array, string 등)
값형 지역변수     | 박싱된 값형(필요 시)
리턴주소/레지스터 | LOH(>= ~85kB 배열 등), POH(핀 고정 목적)
                  | Gen0 -> Gen1 -> Gen2 (생존 시 승격)

• 값 형식(struct): 기본적으로 스택(또는 객체 내부/배열 내부)에 값 자체 저장. 인터페이스로 다루거나 object로 업캐스트하면 박싱 발생(힙에 새 객체 + 복사). → 자세히 보기: 박싱/언박싱
• 참조 형식(class/배열/string): 힙에 할당, 참조(포인터)가 스택/필드에 저장. → 개념 확장: class, OOP

면접 포인트: “struct는 항상 스택에?” ❌ 컨테이너 내부/필드에도 값으로 저장될 수 있고, 대형 struct는 복사 비용이 큼. 불필요한 박싱을 피하려면 제네릭 + 제약(where T : unmanaged/struct) 또는 인터페이스 대신 제네릭을 검토. → 참고: 제네릭 인터페이스, 인터페이스

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♻️ .NET GC 동작 원리 — 핵심만 빠르게

기초/심화 정리는 별도 글 참고: GC란?

세대별 수집(Generational GC)

• Gen0: 단명 객체 대부분. 컬렉션이 가장 잦고 빠름.
• Gen1: Gen0 생존 승격.
• Gen2: 장수 객체(캐시/싱글톤 등). 수집 비용 큼.
• LOH (Large Object Heap): 일반적으로 ~85,000 바이트 이상 배열 등의 대형 객체. 기본적으로 비압축(non-compacting) 수집 빈도 낮음.
• POH (Pinned Object Heap): 고정(pin)된 객체를 분리해 단편화 영향 최소화(.NET 5+).

GC 트리거(언제 도는가?)

• 할당 실패/임계치 초과, GC.Collect() 호출(특별한 경우만), OS 메모리 압박, 백그라운드 GC 스케줄링 등.

모드/전략

• Workstation vs Server GC: 서버는 멀티코어 병렬 수집, 스루풋 우선. 데스크톱/Unity는 보통 Workstation.
• Background/Concurrent GC: 대부분의 세대 수집을 애플리케이션과 병행.
• Compacting: 단편화 방지를 위해 살아있는 객체를 압축 이동(LOH는 기본 비압축).

단편화 & Pinning

• 고정(pinning)은 이동 불가 → 단편화 위험. P/Invoke, 고정 버퍼 등은 고정 시간 최소화.

면접 포인트: “왜 LOH가 문제?” → 수집 드뭄 + 비압축 경향 → 메모리 급증/단편화 위험. 대형 배열 재사용(pooling)로 완화.

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🧯 IDisposable & using — 리소스 해제의 표준

기초/심화 정리는: IDisposable, using/await using

언제 필요한가?

• GC는 메모리만 회수. 파일 핸들, 소켓, DB 커넥션, GPU/OS 핸들 등 관리되지 않는 자원은 명시적 해제 필요 → IDisposable.Dispose() or IAsyncDisposable.DisposeAsync().

정석 구현(권장: SafeHandle 사용)

public sealed class NativeFile : IDisposable
{
    private SafeFileHandle _handle; // Microsoft.Win32.SafeHandles
    private bool _disposed;

    public NativeFile(string path)
    {
        _handle = CreateFileSafe(path); // P/Invoke로 핸들 취득
    }

    public void Write(ReadOnlySpan<byte> data) { /* ... */ }

    public void Dispose()
    {
        if (_disposed) return;
        _disposed = true;
        _handle?.Dispose(); // 핸들 안전 해제
        GC.SuppressFinalize(this);
    }

    ~NativeFile()
    {
        // 비상시 누수 방지. Dispose 미호출 케이스 처리
        _handle?.Dispose();
    }
}

• 핵심: 리소스 소유권은 한 방향(one owner). 파이널라이저는 안전망이지 정상 경로가 아님. 가능하면 SafeHandle로 래핑하여 파이널라이저 코드 최소화.
• 자세한 패턴: RAII(개념 연계) · 스마트 포인터(C++ 비교)

using / await using

using (var s = new FileStream(path, FileMode.Open))
{
    // 범위를 벗어날 때 Dispose 자동 호출
}

await using (var conn = await OpenAsync())
{
    // 비동기 리소스 해제: await conn.DisposeAsync()
}

비동기 해제 패턴 (IAsyncDisposable)

public sealed class AsyncSocket : IAsyncDisposable
{
    private readonly Socket _socket;
    public ValueTask DisposeAsync()
    {
        // 네트워크 종료 핸드셰이크 등 비동기 해제가 필요한 경우
        return new ValueTask(CloseAsync(_socket));
    }
}

면접 포인트: 파이널라이저 + GC.SuppressFinalize 조합 이유? → 중복 해제 방지와 GC 비용 절감. 파이널라이저 큐 등록 자체가 비용.
더 읽기: IDisposable, using/await using

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🧵 async/await — 상태 머신과 메모리

개요/심화: async/await 가이드

어떤 일이 벌어지나?

• async 메서드는 상태 머신 클래스로 변환. 지역 변수/캡처 변수가 필드로 승격되어 힙 할당이 발생할 수 있음.
• await는 비동기 작업이 완료 시점에 이어서 실행하도록 콜백을 등록. 기본적으로 현재 컨텍스트(SynchronizationContext/TaskScheduler)를 캡처.

public async Task<int> FetchAsync()
{
    var client = new HttpClient(); // 할당
    var json = await client.GetStringAsync(url); // await 지점에서 상태 머신 유지
    return json.Length;
}

성능/메모리 팁

• 컨텍스트 캡처 방지: 라이브러리/서버 코드에서 ConfigureAwait(false)

  await task.ConfigureAwait(false);
  

• 할당 줄이기: 자주 호출되는 hot path는 ValueTask 고려(단, 오용 시 복잡성↑)
• 클로저 주의: 람다/로컬 함수가 외부 변수를 캡처하면 힙 할당 발생.
• async void 금지: 이벤트 핸들러 외에는 사용 금지(예외 전파 불가, 추적 어려움).
• Task.Run 남용 금지: I/O 바운드에 CPU 스레드 할당 불필요.
• 타임아웃/취소 토큰 필수: 누수/좀비 작업 방지.

상태 머신 도식

flowchart TD
    A[호출] --> B{첫 await 전?}
    B -- 예 --> C[동기 완료·직접 반환]
    B -- 아니오 --> D[상태 저장·콜백 등록]
    D --> E[비동기 완료 시 스케줄]
    E --> F[컨텍스트 복귀 또는 스레드풀]
    F --> G[다음 await 또는 반환]

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🧪 박싱/언박싱 & 제네릭 최적화

기본 개념: 박싱/언박싱 · 제너릭 심화: 제네릭 인터페이스

// 나쁨: 인터페이스가 값형을 참조하면 박싱 발생
void SumBad(IEnumerable<int> xs)
{
    IComparable c = 42; // 박싱
}

// 좋음: 제네릭으로 값형을 직접 다루면 박싱 없음
int SumGood<T>(ReadOnlySpan<T> xs) where T : unmanaged
{
    // 값형 T를 그대로 연산
    return xs.Length;
}

• 컬렉션: List<int>는 무박싱. 반면 ArrayList/IList(비제네릭) 사용 시 박싱 발생.
• 딕셔너리 키로 박싱 유발 타입 사용에 주의(예: struct를 인터페이스로 보관).

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🎮 Unity/게임 개발 관점 메모리 팁

• GC 스파이크 최소화: 프레임 중 대량 할당/해제를 피하고, 오브젝트 풀링 적극 사용.
• 문자열/boxing 주의: string.Format, ToString()(특히 Update()에서) 남발 금지.
• LINQ 임시 할당: GC 부담 → 핫패스에서는 for 루프/Span/NativeArray 고려.
• 대형 배열/버퍼 재사용: LOH 단편화 완화.
• Pinned/Native 메모리: 고정 시간 최소화, 네이티브 리소스는 IDisposable 철저.

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🔐 안전한 리소스 해제 — 패턴 모음

Dispose 패턴(관리/비관리 혼합)

public class ResourceHolder : IDisposable
{
    private SafeHandle _handle = /* ... */;
    private ManagedThing _managed = new();
    private bool _disposed;

    public void Dispose()
    {
        Dispose(true);
        GC.SuppressFinalize(this);
    }

    protected virtual void Dispose(bool disposing)
    {
        if (_disposed) return;
        if (disposing)
        {
            _managed?.Dispose();
            _handle?.Dispose();
        }
        // 비관리 리소스 해제 필요 시 여기서
        _disposed = true;
    }

    ~ResourceHolder() => Dispose(false);
}

Async Dispose 패턴

public class AsyncResource : IAsyncDisposable
{
    private IAsyncDisposable _async; // 예: Stream, DbConnection 등
    public async ValueTask DisposeAsync()
    {
        if (_async != null)
        {
            await _async.DisposeAsync();
        }
    }
}

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🧰 실전 체크리스트

• 파일/소켓/DB/GPU 핸들은 using 혹은 명시적 Dispose()로 닫았다. → IDisposable
• async void는 이벤트 핸들러에서만 사용했다. → async/await
• 라이브러리/서버 코드에서 ConfigureAwait(false)를 사용했다.
• 큰 버퍼는 풀링(ArrayPool, MemoryPool)으로 재사용한다.
• 핫패스에서 LINQ/박싱/클로저/예외 사용을 줄였다. → 클린 코드
• 파이널라이저는 최소화하고, GC.SuppressFinalize를 호출했다. → GC
• 핀 고정은 꼭 필요한 최소 시간만 사용했다.

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❓자주 묻는 면접 질문(모범 답안 키워드)

1) GC는 언제 동작하나요? — 세대별 임계치/할당 실패/백그라운드 스케줄/OS 메모리 압박. Gen0→1→2, LOH 별도. → GC
2) LOH 문제와 대처? — 드문 수집·비압축 → 단편화 위험. 큰 배열 풀링/재사용.
3) IDisposable이 필요한 이유? — GC는 메모리만, OS/네이티브 리소스는 명시 해제 필요. → IDisposable
4) 파이널라이저와 Dispose 차이? — 파이널라이저는 비결정/비용↑, 안전망. Dispose는 결정적 해제.
5) async/await의 컨텍스트 캡처? — 기본 현재 컨텍스트 복귀. 서버/라이브러리에서 ConfigureAwait(false). → async/await
6) ValueTask 언제? — 자주 동기 완료되는 경로에서 할당 줄일 때. 남용 주의.
7) 박싱이 뭐고 어떻게 줄이나요? — 값형→참조형 변환 시 힙 할당. 제네릭/Span 활용. → 박싱/언박싱, 제네릭 인터페이스

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🧪 연습 문제(코딩 포함)

1) IDisposable 패턴을 갖는 TempFile 클래스를 만들고 파일 생성→쓰기→삭제를 using으로 보장하라. → IDisposable
2) async 핫패스에서 ValueTask로 전환하여 할당을 줄이고 벤치마크를 비교하라. → async/await
3) LOH에 올라가는 버퍼를 ArrayPool<byte>로 재사용하는 코드 작성.
4) Unity Update()에서 발생하는 GC 알로케이션을 프로파일러로 찾아 제거하라.

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💡 실무 적용 팁

1. GC 모니터링: GC.GetTotalMemory()와 성능 카운터로 메모리 사용량 추적 → GC
2. IDisposable 일관성: 팀 내에서 using 문 사용 가이드라인 수립 → using
3. async/await 데드락 방지: UI 애플리케이션에서 ConfigureAwait(false) 활용 → async/await
4. 박싱 방지: 컬렉션 사용 시 제네릭 타입 우선 선택 → 박싱/언박싱

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다음 학습 주제

• C# 고급 메모리 관리: Span<T>, Memory<T>, 스택 할당 최적화
• Task 병렬 라이브러리: Parallel.ForEach, PLINQ 활용
• 메모리 프로파일링: dotMemory, PerfView를 통한 성능 분석

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📎 치트시트(요약)

• 세대 GC: Gen0 빠름, Gen2 비쌈. 생존 객체 승격. → GC
• LOH/POH: 큰 배열은 LOH, 핀은 POH. 풀링/재사용.
• Dispose 규칙: using/await using, SafeHandle, SuppressFinalize. → IDisposable · using
• async/await: 상태 머신→힙 할당 가능. ConfigureAwait(false), async void 금지. → async/await
• 박싱 회피: 제네릭/Span/ValueTask. 비제네릭 컬렉션 지양. → 박싱/언박싱

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🪞 회고 질문

• GC의 세대별 수집 방식이 성능에 미치는 영향을 설명할 수 있는가? → GC
• IDisposable 패턴을 실무 프로젝트에서 어떤 상황에 적용할 수 있을까? → IDisposable
• async/await 사용 시 주의해야 할 데드락 상황은 무엇인가? → async/await
• 박싱/언박싱으로 인한 성능 저하를 어떻게 측정하고 개선할 수 있을까? → 박싱/언박싱

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📚 참고 키워드

Server GC, Workstation GC, Background GC, SafeHandle, ArrayPool<T>, MemoryPool<T>, Span<T>/Memory<T>, ValueTask, IAsyncDisposable, SynchronizationContext, TaskScheduler, ConfigureAwait(false), stackalloc.

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