가비지 컬렉션(Garbage Collection)이란 무엇인가?

서론

C/C++ 언어는 힙에 객체를 할당하기 위해 비싼 비용을 치르는 문제를 갖고 있다. C/C++ 기반의 프로그램을 실행하는 C-Runtime은 객체를 담기 위한 메모리를 여러 개의 블록으로 나눈 뒤, 이 블록을 링크드 리스트로 묶어 관리한다. 가령 어떤 객체를 힙에 할당하는 코드가 실행되면, C-Runtime은 메모리 링크드 리스트를 순차적으로 탐색하면서 해당 객체를 담을 수 있을만한 여유가 있는 메모리 블럭을 찾는다. 적절한 크기의 메모리 블록을 만나면 프로그램은 이 메모리 블록을 쪼개서 객체를 할당하고 메모리 블록의 링크드 리스트를 재조정한다. 단순히 메모리 공간에 데이터를 집어넣는 것이 아니라 공간을 “탐색”하고 “분할” 하고 “재조정”하는 오버헤드가 필요하다는 것이다. C#의 CLR은 자동 메모리 관리(Automatic Memory Management)기능을 제공한다. 이 자동 메모리 관리 기능의 중심에는 가비지 컬렉션(Garbage Collection)이 있다. CLR안에는 가비지 컬렉션을 담당하는 가비지 컬렉터(Garbage Collector)라는게 있는데 객체 중에 쓰레기인 것과 쓰레기가 아닌 것을 완벽하게 분리해서 쓰레기들만 조용히 수거해간다. 한편, 가비지 컬렉터도 역시 소프트웨어이기 때문에 CPU와 메모리 같은 컴퓨팅 자원을 소모한다. 가비지 컬렉터가 최소한으로 자원을 사용하게 만들기 위해선 가비지 컬렉터가 어떻게 동작하는지에 대한 매커니즘을 이해하고 있어야 한다.

가비지 컬렉션 이해하기

C#으로 작성한 소스 코드를 컴파일해서 실행 파일을 만들고 이 실행 파일을 실행하면, CLR은 이 프로그램을 위한 일정 크기의 메모리를 확보한다, 그냥 넓디 넓은 메모리 공간을 통째로 확보해서 하나의 관리되는 힙을 마련한다. 그리고 CLR은 이렇게 확보한 관리되는 힙 메모리의 첫 번째 주소에 “다음 객체를 할당할 메모리의 포인터”를 위치시킨다.

object A = new object();

위 코드가 실행되면 “다음 객체를 할당할 메모리의 포인터”가 가리키고 있는 주소에 A 객체를 할당하고 포인터를 A객체가 차지하고 있는 공간 바로 뒤로 이동시킨다. 다음 객체를 할당할때에도 똑같은 방식으로 작동한다. 이제 객체 중에 쓰레기인 것과 그렇지 않은 것을 판단하고, 쓰레기로 판단된 객체는 어떻게 수거하는지 알아보자.

if (true)
{
    object a = new object();
}

위 코드는 a는 스택에 할당되고 실체화된 인스턴스는 힙에 할당이 된다. 위 코드에서 if 블록이 끝나면 a는 당연히 스택에서 사라지고 더 이상 세상에 없다. a를 잃은 채 힙에 남아 있는 인스턴스는 이제 코드의 어디에서도 접근할 수 없기 때문에 더 이상 사용할 수 없다. 다시말해 쓰레기가 되버린것이다. 이 쓰레기는 곧 가비지 컬렉터가 집어가게 된다. 한편, 사라져버린 a처럼 할당된 메모리의 위치를 참조하는 객체를 일컬어 루트(Root)라고 부른다. 루트는 a처럼 스택에 생성될 수도 있고 정적 필드처럼 힙에 생성될 수도 있다. .NET 애플리케이션이 실행되면 JIT 컴파일러가 이 루트들을 목록으로 만들고, CLR은 이 루트 목록을 관리하며 상태를 갱신한다. 이 루트가 중요한 이유는 가비지 컬렉터가 CLR이 관리하고 있던 루트 목록을 참조해서 쓰레기 수집을 하기 하기 때문이다. 구체적으로 가비지 컬렉터가 루트 목록을 이용해서 쓰레기 객체를 정리하는 과정은 다음과 같다.

• 작업을 시작하기 전에, 가비지 컬렉터는 모든 객체가 쓰레기라고 가정한다. 즉, 루트 목록 내의 어떤 루트도 메모리를 가리키지 않는다고 가정한다.
• 루트 목록을 순회하면서 각 루트가 참조하고 있는 힙 객체와의 관계 여부를 조사한다. 만약 루트가 참조하고 있는 힙의 객체가 또 다른 힙 객체를 참조하고 있다면 이 역시도 해당 루트와 관계가 있는 것으로 판단한다. 이 때 어떤 루트와도 관계가 없는 힙의 객체들은 쓰레기로 간주된다.
• 쓰레기 객체가 차지하고 있던 메모리는 이제 ‘비어 있는 공간’이다.
• 루트 목록에 대한 조사가 끝나면, 가비지 컬렉터는 이제 힙을 순회하면서 쓰레기가 차지하고 있던 ‘비어 있는 공간’에 쓰레기의 인접 객체들을 이동시켜 차곡차곡 채워 넣는다. 모든 객체의 이동이 끝나면 깨끗한 상태의 메모리를 얻게 된다.