.NET GC 동작을 관찰 가능하게 만들기: GCExperiment를 구축하면서 배운 점

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왜 실험을 하는가?

문서에서는 GC가 무엇을 하는지 알려줍니다. 코드를 실행하면 언제 그리고 왜 하는지 알 수 있습니다. 실제 시스템에서 할당 압력을 파악하려 할 때 이 차이는 중요합니다.

프로젝트 이름은 GCExperiment이며 — 네 개의 독립된 실험으로 구성되어 각각 하나의 GC 메커니즘을 목표로 하고, 모두 실제 스냅샷으로 계측됩니다.

.NET 10 / C# 14 기반이며, x64 전용입니다. x86에서는 헤더 크기와 정렬이 다르므로 현실적인 LOH 동작을 위해서는 64‑bit가 필요합니다.

실험 1 — LOH 배치

내가 알게 된 가장 놀라운 점: 단순히 85,000바이트 임계값이 아니라는 것.
GC는 전체 객체 비용 — 헤더, 페이로드, 그리고 정렬을 측정합니다. byte[84_999]에 대한 실제 계산은 다음과 같습니다:

// Full size calculation
24   // array header
+ 84_999 // payload
= 85_023 → aligned to 85_024 → LOH threshold hit

따라서 byte[84_999]는 Large Object Heap에 배정됩니다 — 페이로드가 85 KB를 초과했기 때문이 아니라 정렬된 전체 객체가 초과했기 때문입니다.

실험이 보여주는 내용

• 서로 다른 크기의 배열이 실제로 어디에 배정되는지 (SOH vs LOH)
• GCInfo.EstimateSizeByFactory를 사용해 전체 객체 크기를 측정하는 방법
• 필요할 때 LOH 압축을 강제하는 방법:

GCSettings.LargeObjectHeapCompactionMode = GCLargeObjectHeapCompactionMode.CompactOnce;
GC.Collect(2, GCCollectionMode.Forced, blocking: true);

실험 2 — 세대 승격

객체는 Gen0에 영원히 존재하지 않습니다. 살아남은 객체는 승격되며, 이 실험은 이를 실시간으로 확인할 수 있게 합니다.

예상치 못한 점 하나: GC.KeepAlive는 승격을 관찰할 때 실제로 결과를 바꿉니다. 이를 사용하지 않으면 JIT가 참조를 최적화해 버려 객체가 세대를 검사하기 전에 수집됩니다.

실험 3 — 할당 압력

두 패턴을 나란히 비교합니다:

• 단명하는 작은 객체 — 할당, 폐기, 반복 → Gen0을 강타
• 오래 지속되는 큰 객체 — Gen2/LOH 압력을 증가

출력은 실험이 진행되는 동안 실시간 컬렉션 카운트를 표시합니다. 샘플 크기를 변경하고 Gen0와 Gen2 카운트가 어떻게 달라지는지 관찰하는 것은 직관을 기르는 데 유용합니다.

실험 4 — LOH 단편화

큰 할당을 교대로 수행하면 — A를 할당하고, B를 할당하고, A를 해제한 뒤 C를 할당하려고 할 때 — A가 남긴 구멍에 C가 들어가지 않을 수 있습니다. LOH는 기본적으로 압축되지 않으므로 이러한 구멍이 누적됩니다.

[  A  ][ B ][ hole ][ B ][ hole ]
                ↑
         C doesn't fit here

이것이 LOH 압축 및 버퍼 풀링(ArrayPool)이 존재하는 이유입니다. 이 실험은 할당 실패와 GC 스냅샷 비교를 통해 단편화를 가시화합니다.

진단 및 도우미

이 저장소에는 두 개의 계측 도우미가 포함되어 있습니다:

GCMonitor (GCMastery.Diagnostics에 있음)

GCMonitor.PrintSnapshot("after allocation");
GCMonitor.PrintObjectGeneration(myObj, nameof(myObj));
GCMonitor.Reset("clean baseline");

GCInfo (GCExperiment에 있음)

var state = GCInfo.GetCurrentState(forceFullCollectionFirst: true);
var gen   = GCInfo.GetGeneration(myObj);
var size  = GCInfo.EstimateSizeByFactory(() => new byte[84_999], sampleCount: 1000);

모든 실행

GenerationExperiment.Run();
LOHExperiment.Run();
FragmentationExperiment.Run();
PressureExperiment.Run();

측정하기 전에 한 가지 팁 — 항상 깨끗하게 시작하세요

GC.Collect(2, GCCollectionMode.Forced, blocking: true);
GC.WaitForPendingFinalizers();
GC.Collect(2, GCCollectionMode.Forced, blocking: true);

그렇지 않으면 이전 실행에서 남은 상태가 결과를 오염시킵니다.

아직 파악 중인 내용

• 서버 GC와 워크스테이션 GC 동작 차이
• GCSettings.LatencyMode가 승격 타이밍에 미치는 영향
• 시간에 따른 단편화를 시각화하는 더 나은 방법 (현재는 콘솔 전용)

이와 관련해서 작업해 본 경험이 있거나 이상한 점을 발견했다면 — 혹은 추가할 만한 실험 아이디어가 있다면 — 댓글로 피드백을 남겨 주세요.

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