Garbage Collector(가비지 컬렉터) - C++/C#/CS 기초

Garbage Collector(가비지 컬렉터)

Garbage Collector(가비지 컬렉터)

📌 학습 목표

• Garbage Collector의 동작 원리 이해
• 세대별(Generational) 수집 구조 설명
• Stop-the-world 현상과 성능 이슈 학습
• RAII와의 차이 비교 (C++ vs C#)

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📌 개념 정리

• 메모리 관리를 자동화하는 메커니즘
• 프로그램에서 더 이상 사용되지 않는 객체(=reachable 하지 않은 객체)를 탐지 후 자동 해제
• 대표적으로 C#, Java, Python 같은 언어에서 GC가 있음
• 반대로, C/C++은 GC가 없고 프로그래머가 직접 delete 또는 스마트 포인터를 통해 관리

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2. 동작 방식 (C# 기준)

1. Mark (표시)
   • 살아 있는 객체(참조가 있는 객체)를 식별
2. Sweep (청소)
   • 참조되지 않는 객체를 해제
3. Compact (압축)
   • 메모리 단편화를 줄이기 위해 살아남은 객체들을 연속적으로 재배치

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3. 세대별(Generational) GC

• 객체의 “수명”을 기반으로 효율성을 높임
• .NET CLR과 JVM 모두 세대별 GC 사용

세대	설명	특징
Gen 0	새로 생성된 객체	수명이 짧아 수집이 자주 일어남
Gen 1	Gen 0에서 살아남은 객체	임시 저장소 역할
Gen 2	장기간 살아남은 객체	수집 빈도가 낮음, 오래 쓰는 객체

var list = new List<int>(); // Gen 0에 할당
list.Add(42);

// Gen 0 수집에서 살아남으면 Gen 1으로 승격
// 장기간 참조되면 Gen 2로 승격

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4. Stop-the-world 문제

• GC가 실행되는 동안 모든 스레드가 일시 중단됨
• 대규모 힙/실시간 시스템에서는 성능 저하의 원인
• 최신 .NET은 Concurrent / Background GC로 이 문제를 완화

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5. C++ RAII vs C# GC

• C++ RAII (Resource Acquisition Is Initialization)
  • 객체의 생명 주기(scope)와 자원 관리가 동일
  • 블록 종료 시 자동으로 소멸자 호출 → 메모리 즉시 해제
  • 스마트 포인터 (unique_ptr, shared_ptr)로 안전성 보강
• C# GC
  • 언제 수거될지 개발자가 예측 불가
  • 결정적 해제가 필요할 땐 IDisposable 패턴과 using 사용

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🎮 Unity의 GC 동작 방식

• Unity는 Mono/.NET GC (구버전) 또는 IL2CPP + Boehm GC / Unity 자체 GC를 사용
• 기본적으로 Mark & Sweep 방식으로 동작 → Stop-the-world 발생
• Update() 루프 중간에 실행될 수 있어 프레임 드랍 원인이 됨
• GC 최적화 방법:
  • 박싱/언박싱 최소화
  • new 호출 최소화 (Object Pooling 사용)
  • string 연결 대신 StringBuilder 활용

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🎮 Unreal Engine의 GC 동작 방식

• Unreal은 자체 GC 시스템을 사용 (C++ 기반)
• UObject 시스템 위에서 동작: UObject 파생 클래스만 GC 관리
• 참조는 리플렉션 시스템(UProperty, UFUNCTION)을 통해 추적
• NewObject<T>() / DuplicateObject()로 생성된 객체는 GC가 관리
• Non-UObject(C++ 기본 타입)는 직접 delete 필요
• GC 주기:
  • 특정 시점마다 CollectGarbage() 호출
  • 엔진이 틱(Tick) 또는 레벨 전환 시 자동 수행

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📊 C#, Unity, Unreal GC 비교

항목	C# GC (.NET CLR)	Unity GC	Unreal GC
방식	세대별 GC (Gen 0,1,2)	Mark & Sweep (Mono/IL2CPP)	Mark & Sweep (UObject 기반)
관리 대상	모든 관리 객체	C# 관리 객체	UObject 파생 클래스
실행 시점	런타임 자동	런타임 자동, 프레임 중 발생 가능	틱/레벨 전환 시, 수동 호출 가능
Stop-the-world	있음 (최신엔 완화)	있음 (프레임 드랍 원인)	있음 (주기적으로)
최적화 포인트	IDisposable, WeakReference, LOH 관리	Object Pooling, 구조체 활용, 박싱 최소화	스마트 포인터, 수동 메모리 관리 병행
결정적 해제	불가 (IDisposable 필요)	불가 (C#과 동일)	수동 delete (Non-UObject), RAII 가능

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💻 예제 코드

C#에서 GC 기본 동작

class Program
{
    static void Main()
    {
        for (int i = 0; i < 1000; i++)
        {
            var obj = new object();
        }

        // GC 강제 호출 (실무에서는 거의 사용 X)
        GC.Collect();
        GC.WaitForPendingFinalizers();
    }
}

C++ RAII 예시

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

struct FileHandler {
    FileHandler() { cout << "파일 열기\n"; }
    ~FileHandler() { cout << "파일 닫기\n"; }
};

int main() {
    {
        unique_ptr<FileHandler> fh = make_unique<FileHandler>();
    } // 블록 종료 시 자동으로 소멸자 호출 → 파일 닫기
}

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🎯 연습 문제

1. GC의 세대별 수집(Gen 0, 1, 2)의 차이를 설명하세요.
2. IDisposable 패턴이 필요한 이유와 GC와의 차이를 비교하세요.
3. C++ 스마트 포인터가 GC와 유사한 점과 다른 점을 설명하세요.

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🔎 심화 학습

• Large Object Heap (LOH): 85KB 이상의 객체는 별도로 관리
• Server GC vs Workstation GC: 성능 및 환경 최적화 옵션
• WeakReference: GC가 객체를 수집할 수 있게 허용하면서 참조 유지

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🪞 면접 질문 & 답변

Q1. GC가 어떻게 동작하나요?
A. 루트에서 참조 가능한 객체를 찾고, 참조되지 않는 객체를 해제합니다. 세대별 GC로 효율성을 높이며, 필요할 때 Stop-the-world로 작동합니다.

Q2. GC가 항상 좋은가요?
A. 편리하지만, 성능 예측이 어렵고 Stop-the-world 문제로 실시간성이 중요한 환경에는 적합하지 않습니다.

Q3. C++은 GC가 없는데 어떻게 메모리를 관리하나요?
A. RAII와 스마트 포인터를 사용합니다. 객체 생명 주기에 따라 자동 해제가 보장됩니다.

Q4. IDisposable과 GC의 차이는 무엇인가요?
A. GC는 메모리만 해제하고, IDisposable은 파일 핸들, 소켓 같은 관리되지 않는 자원을 명시적으로 해제할 때 필요합니다.

Q5. C#, Unity, Unreal의 GC 차이를 간단히 설명하세요.
A. C#은 CLR 기반 세대별 GC, Unity는 Mono/IL2CPP GC로 프레임 드랍 이슈, Unreal은 UObject 시스템 기반의 자체 GC를 사용합니다.

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🔗 관련 페이지

• IDisposable
• RAII
• 스마트 포인터

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🗺️ 다이어그램 (세대별 GC 흐름)

flowchart TD
    A[객체 생성 (Gen 0)] --> B{Gen 0 수집}
    B -->|살아남음| C[Gen 1로 승격]
    B -->|해제| X[메모리 반환]
    C --> D{Gen 1 수집}
    D -->|살아남음| E[Gen 2로 승격]
    D -->|해제| X
    E --> F{Gen 2 수집}
    F -->|살아남음| E
    F -->|해제| X