C# - 고성능이 필요한 환경에서 GC가 발생하지 않는 네이티브 힙 사용
지난 발표에서,
.NET Conf 2019 Korea - "닷넷 17년의 변화 정리 및 닷넷 코어 3.0" 발표 자료
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/12030
Span을 설명하며 GC를 유발하지 않는 Native Heap 사용법을 소개했습니다.
public unsafe ref struct NativeMemory<T> where T : unmanaged
{
int _size;
IntPtr _ptr;
public NativeMemory(int size)
{
_size = size;
long lSize = _size;
lSize *= sizeof(T);
IntPtr bufSize = new IntPtr(lSize);
_ptr = Marshal.AllocHGlobal(bufSize);
}
public Span<T> GetView()
{
return new Span<T>(_ptr.ToPointer(), _size);
}
// C# 8.0에서만 using과 함께 사용 가능
public void Dispose()
{
if (_ptr == IntPtr.Zero)
{
return;
}
Marshal.FreeHGlobal(_ptr);
_ptr = IntPtr.Zero;
}
}
그런데... 정작 PPT에는 설명이 없어 이렇게 글로 남깁니다. ^^
저렇게 Native Heap에 만들어 사용했을 때의 장점이 뭘까요? 우선, 당연한 이야기지만 GC로부터 힙을 할당받지 않았기 때문에 GC의 관리 밖에 있으므로 가비지 컬렉션 동작 시에 아무런 부하를 주지 않는다는 것을 들 수 있습니다.
이런 결과를 비교한 것이
DotNetHistory17.zip에 포함된 예제 코드의 내용인데요, 간단하게 다음과 같이 GC 횟수를 출력하는 스레드를 실행해 두고,
static unsafe void Main(string[] args)
{
Thread t = new Thread(checkGCFunc);
t.IsBackground = true;
t.Start();
// ...[생략]...
}
private static void checkGCFunc(object obj)
{
int old = 0;
int checkCount = 0;
// 5초마다 화면에 GC 횟수 출력
while (true)
{
int count = 0;
for (int i = 0; i < GC.MaxGeneration; i++)
{
count += GC.CollectionCount(i);
}
Console.WriteLine($"{checkCount++} : {(count - old)}");
old = count;
Thread.Sleep(5000);
}
}
GC Heap으로부터 할당받는 다음의 무한 루프 예제를 실행하면,
static unsafe void Main(string[] args)
{
Thread t = new Thread(checkGCFunc);
t.IsBackground = true;
t.Start();
// 무한 루프를 돌며,
while (true)
{
// GC Heap, 즉 관리 힙으로부터 배열 메모리를 할당
int[] buf = new int[1024];
{
for (int i = 0; i < buf.Length; i++)
{
buf[i] = i;
}
}
}
}
화면에는 5초마다 다음과 같은 식으로 GC 횟수가 평균 초당 2,000번 이상 실행되는 것을 확인할 수 있습니다.
0 : 0
1 : 2226
2 : 2149
3 : 2308
4 : 2279
5 : 2289
...
반면, Native Heap으로부터 할당받는 NativeMemory 타입을 활용하면,
// 무한 루프를 돌며,
while (true)
{
// Native Heap, 즉 비-관리 힙으로부터 배열 메모리 할당
using (NativeMemory<int> buf = new NativeMemory<int>(1024))
{
Span<int> viewBuf = buf.GetView();
for (int i = 0; i < viewBuf.Length; i++)
{
viewBuf[i] = i;
}
}
}
5초마다 찍히는 출력에는 GC가 단 한 번도 발생하지 않는 것을 볼 수 있습니다.
0 : 0
1 : 0
2 : 0
3 : 0
...
그런데, 사실 이런 식의 비-관리 메모리를 할당하는 것은 C# 초기 버전에서도 가능했습니다. 어차피 unsafe 문맥에서 포인터 구문이 가능했기 때문인데, 이에 대해서는
예전 글을 통해 설명한 적이 있습니다.
int len = Int32.MaxValue;
IntPtr pBuf = Marshal.AllocCoTaskMem(len); // 비-관리 힙을 할당받아,
byte* ptr = (byte*)pBuf.ToPointer();
int i = 0;
for (i = 0; i < len; i++)
{
*(ptr + i) = 10; // 배열처럼 접근
}
Console.WriteLine(*(ptr + len - 1));
Console.WriteLine();
Marshal.FreeCoTaskMem(pBuf);
그런데, 위와 같은 식으로 직접 Pointer 연산을 통해 접근하는 것은 자칫 인덱스 접근을 잘못하게 되는 경우 AV(Access Violation) 예외가 발생해 프로세스(EXE)의 비정상 종료 문제를 야기할 수 있습니다.
가령, AllocCoTaskMem으로 1,000 바이트를 할당받았는데 byte * 포인터의 "*ptr + 1001" 연산을 하면 확률(운)에 따라 AV 예외를 접하게 됩니다. 이로 인해 비-관리 메모리는 사실상 "관리 프로세스"의 안전함에 반하므로 가능한 쓰지 않는 것이 일반적이었는데, 이런 문제를 해결한 것이 바로 C# 7.2에 추가된 Span 타입입니다.
C# 7.2 - Span<T>
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11534
Span 타입은 비-관리 메모리에 대해 관리 포인터를 이용한 안정성을 제공하기 때문에 할당받은 Native Heap의 크기를 벗어나는 연산을 해도,
IntPtr ptr = Marshal.AllocCoTaskMem(1000); // native heap으로부터 메모리를 할당받아,
try
{
// Span 타입의 도움을 받으면,
Span<byte> bytes = new Span<byte>(ptr.ToPointer(), size);
bytes[1000 + 1] = 6; // 할당받은 native heap의 범위를 벗어나 지정해도,
}
catch (System.IndexOutOfRangeException ex) // 안전하게 예외 처리
{
// "1000 + 1" 접근 시 예외 발생
}
finally
{
Marshal.FreeCoTaskMem(ptr);
}
안전하게 예외 처리가 됩니다. 따라서 Span 타입의 도입으로 비-관리 메모리를 안전한 영역으로 끌어냈기 때문에 C# 7.2부터는 관리 메모리와 별다른 차이 없이 - 개발자가 원한다면 얼마든지 사용해도 좋은 자원이 된 것입니다.
그나저나, GC Heap을 사용하지 않으니 혹시 gcAllowVeryLargeObjects를 사용하지 않아도,
<gcAllowVeryLargeObjects> Element
; https://learn.microsoft.com/ko-kr/dotnet/framework/configure-apps/file-schema/runtime/gcallowverylargeobjects-element
NativeMemory와 같은 타입이라면 자유로운 배열 크기를 생성할 수 있지 않을까요? 일단 이전 글에서 설명한 것처럼,
닷넷 - 배열 크기의 한계
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11142
재현 코드)
int arrCount = 0X7FEFFFFF + 1;
int[] intarr1 = new int[arrCount]; // System.OutOfMemoryException: 'Array dimensions exceeded supported range.'
닷넷의 경우 배열 (크기가 아닌) 요소의 한계가 2,146,435,071 (0X7FEFFFFF)로 정해져 있습니다. 아쉽게도 이 한계는 NativeMemory 같은 식의 타입을 사용해 우회해도 극복할 수 없습니다. 왜냐하면 Span의 indexer 코드 자체가 이미 int 값을 인자로 받기 때문에,
public readonly ref struct Span<T>
{
// ...[생략]...
public ref T this[int index]
{
get
{
throw null;
}
}
// ...[생략]...
}
Int32.MaxValue 범위 밖의 요소를 지정할 수 없습니다. 그래도 그나마 위로할 수 있는 것은 0X7FEFFFFF이 아닌 Int32.MaxValue 범위까지 쪼끔 확장되었다는 정도가 되겠습니다.
그런데, 이걸 사용하면 정말 빠를까요? 실제로 간단하게 테스트를 해보면,
class Program
{
static unsafe void Main(string[] args)
{
int bufSize = 1024;
Action<int> a1 = (count) =>
{
while (count-- > 0)
{
int[] buf = new int[bufSize];
buf[0] = 0;
buf[bufSize - 1] = 0;
}
};
Action<int> a2 = (count) =>
{
while (count-- > 0)
{
using (NativeMemory<int> buf = new NativeMemory<int>(bufSize))
{
Span<int> viewBuf = buf.GetView();
viewBuf[0] = 0;
viewBuf[bufSize - 1] = 0;
}
}
};
Action<int, Action<int>> perfTest = (count, action) =>
{
Stopwatch st = new Stopwatch();
st.Start();
action(count);
st.Stop();
Console.WriteLine(st.ElapsedMilliseconds);
};
perfTest(1, a1);
perfTest(1, a2);
perfTest(1000000, a1);
perfTest(1000000, a2);
}
}
의외로 그냥 GC가 발생하도록 했을 때와 그다지 큰 차이는 없습니다.
[x64 + Release]
관리 힙 = 483
NativeHeap = 102
왜냐하면, 이것은 해당 예제 코드가 그다지 복잡한 상황이 아니어서 2세대 GC까지 수행되지 않으므로 그런 것입니다. 2세대 GC가 발생하도록 위의 예제 코드에서 bufSize = 40960으로 바꾸면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.
[x64 + Release]
관리 힙 = 8848
NativeHeap = 275
관리 힙의 경우 2세대 GC 처리를 동반하면서 9초 가까운 실행 시간이 걸린 반면 비-관리 힙을 사용한 경우 275ms 내에 처리를 끝내고 있습니다. 이 정도면, Game Loop 등과 같은 고속 처리를 요구하는 환경 등에서 써먹으면 꽤나 성능 향상을 기대할 수 있을 것입니다.
(
첨부 파일은 이 글의 예제 코드를 포함합니다.)
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