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

📌 학습 목표

• Garbage Collector 동작 방식 이해
• IDisposable 패턴 활용
• async/await의 작동 원리 이해
• 박싱과 언박싱 문제 확인

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📝 개념 정리

1. Garbage Collector (GC)

기본 동작 원리:

• 세대별 관리(Gen 0, 1, 2)로 메모리 효율성 극대화
• 불필요한 객체 탐색 후 해제
• Stop-the-world 발생 가능 (성능 이슈)

세대별 GC 동작:

// Gen 0: 새로 생성된 객체들 (가장 빈번한 수집)
var temp = new StringBuilder(); // Gen 0에 할당

// Gen 1: Gen 0 수집에서 살아남은 객체들
// Gen 2: 장기간 살아있는 객체들 (수집 빈도 낮음)

2. IDisposable 패턴

핵심 개념:

• Dispose() 메서드를 통한 명시적 자원 해제
• using 문에서 자동 호출 보장
• 파일, DB 연결, 네트워크 소켓 등 자원 해제에 필수

구현 패턴:

public class MyResource : IDisposable
{
    private bool disposed = false;
    private FileStream fileStream;

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

    protected virtual void Dispose(bool disposing)
    {
        if (!disposed)
        {
            if (disposing)
            {
                // 관리되는 자원 해제
                fileStream?.Dispose();
            }
            // 관리되지 않는 자원 해제
            disposed = true;
        }
    }

    ~MyResource()
    {
        Dispose(false);
    }
}

3. async/await 비동기 처리

동작 원리:

• Task 기반 비동기 처리 모델
• 컴파일러가 상태 머신으로 변환하여 실행
• 스레드를 블록하지 않고 비동기적으로 작업 수행

실제 변환 과정:

// 원본 코드
public async Task<string> GetDataAsync()
{
    await Task.Delay(1000);
    return "Data loaded";
}

// 컴파일러가 생성하는 상태 머신 (개념적)
public Task<string> GetDataAsync()
{
    var stateMachine = new GetDataAsyncStateMachine();
    stateMachine.builder = AsyncTaskMethodBuilder<string>.Create();
    stateMachine.state = -1;
    stateMachine.builder.Start(ref stateMachine);
    return stateMachine.builder.Task;
}

4. 박싱과 언박싱

성능 문제:

• 값 타입을 object로 변환할 때 발생(박싱)
• 다시 꺼낼 때 캐스팅 필요(언박싱)
• 힙 할당과 GC 압박 증가로 성능 비용 발생

문제 코드와 해결책:

// 문제: 박싱 발생
ArrayList list = new ArrayList();
list.Add(42); // int가 object로 박싱
int value = (int)list[0]; // 언박싱

// 해결: 제네릭 사용
List<int> genericList = new List<int>();
genericList.Add(42); // 박싱 없음
int value2 = genericList[0]; // 언박싱 없음

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💻 실무 예제 코드

IDisposable 활용

// using 문을 통한 자동 자원 해제
using (var fs = new FileStream("data.txt", FileMode.Open))
{
    // 파일 작업 수행
    // 블록 종료 시 자동으로 Dispose() 호출
}

// C# 8.0 using 선언
using var connection = new SqlConnection(connectionString);
connection.Open();
// 메서드 종료 시 자동으로 Dispose() 호출

async/await 패턴

public async Task<List<User>> GetUsersAsync()
{
    try
    {
        // 비동기 HTTP 요청
        var response = await httpClient.GetAsync("/api/users");
        var json = await response.Content.ReadAsStringAsync();
        
        // JSON 파싱도 비동기로
        return await JsonSerializer.DeserializeAsync<List<User>>(
            new MemoryStream(Encoding.UTF8.GetBytes(json)));
    }
    catch (HttpRequestException ex)
    {
        // 예외 처리
        throw new ServiceException("사용자 데이터 로드 실패", ex);
    }
}

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🎯 연습 문제

1. IDisposable 구현: 네트워크 연결을 관리하는 NetworkClient 클래스를 작성하고 적절한 Dispose 패턴을 구현하세요.

2. 박싱 최적화: 다음 코드에서 박싱이 발생하는 부분을 찾고 제네릭을 사용해 최적화하세요:

   Hashtable table = new Hashtable();
   table.Add("key1", 100);
   table.Add("key2", 200.5);
   

3. async/await 동작: ConfigureAwait(false)의 용도와 언제 사용해야 하는지 설명하세요.

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🔎 심화 학습

GC 최적화 기법

• Server GC vs Workstation GC: 멀티코어 서버 환경에서의 차이점
• GC 모드 설정: <gcServer>와 <gcConcurrent> 설정
• 대용량 객체 힙(LOH): 85KB 이상 객체들의 특별한 관리

최신 C# 비동기 패턴

// IAsyncDisposable 활용 (C# 8.0+)
await using var stream = new FileStream("large-file.dat", FileMode.Open);
// 비동기 Dispose 호출

// IAsyncEnumerable 활용 (C# 8.0+)
await foreach (var item in GetDataStreamAsync())
{
    ProcessItem(item);
}

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🌐 외부 링크

• Microsoft Docs - Garbage Collection
• Async/Await Best Practices
• IDisposable Pattern Guidelines

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💡 실무 적용 팁

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

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다음 학습 주제

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

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🪞 회고 질문

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