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dotnet-zero-allocation

.NET 메모리 효율화 및 Zero Allocation 패턴 (Span, ArrayPool, ObjectPool)

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SKILL.md

.NET 메모리 효율화, Zero Allocation

GC 압박을 최소화하고 고성능 메모리 관리를 위한 API 사용 가이드입니다.

1. 핵심 개념

  • .NET CLR GC Heap Memory Optimization
  • Stack 할당 vs Heap 할당 이해
  • ref struct를 통한 Stack-only 타입

2. 주요 API

API 용도 NuGet
Span<T>, Memory<T> Stack 기반 메모리 슬라이싱 BCL
ArrayPool<T>.Shared 배열 재사용으로 GC 압박 감소 BCL
DefaultObjectPool<T> 객체 풀링 Microsoft.Extensions.ObjectPool
MemoryCache 인메모리 캐싱 System.Runtime.Caching

3. Span, ReadOnlySpan

3.1 기본 사용법

csharp
// 문자열 파싱 시 Zero Allocation
public void ParseData(ReadOnlySpan<char> input)
{
    // Heap 할당 없이 문자열 조작
    var firstPart = input.Slice(0, 10);
    var secondPart = input.Slice(10);
}

// 배열 슬라이싱
public void ProcessArray(int[] data)
{
    Span<int> span = data.AsSpan();
    Span<int> firstHalf = span[..^(span.Length / 2)];
    Span<int> secondHalf = span[(span.Length / 2)..];
}

3.2 문자열 처리 최적화

csharp
// ❌ 나쁜 예: Substring은 새 문자열 할당
string part = text.Substring(0, 10);

// ✅ 좋은 예: AsSpan은 할당 없음
ReadOnlySpan<char> part = text.AsSpan(0, 10);

3.3 stackalloc과 함께 사용

csharp
public void ProcessSmallBuffer()
{
    // Stack에 작은 버퍼 할당 (Heap 할당 없음)
    Span<byte> buffer = stackalloc byte[256];
    FillBuffer(buffer);
}

4. ArrayPool

대용량 배열을 재사용하여 GC 압박을 줄입니다.

4.1 기본 사용법

csharp
namespace MyApp.Services;

public sealed class DataProcessor
{
    public void ProcessLargeData(int size)
    {
        // 배열 대여 (Heap 할당 최소화)
        var buffer = ArrayPool<byte>.Shared.Rent(size);

        try
        {
            // 버퍼 사용 (요청 크기만큼만 사용)
            ProcessBuffer(buffer.AsSpan(0, size));
        }
        finally
        {
            // 반드시 반환
            ArrayPool<byte>.Shared.Return(buffer);
        }
    }
}

4.2 clearArray 옵션

csharp
// 민감한 데이터 처리 시 반환 전 초기화
ArrayPool<byte>.Shared.Return(buffer, clearArray: true);

5. ObjectPool

비용이 큰 객체를 재사용합니다.

csharp
namespace MyApp.Services;

using Microsoft.Extensions.ObjectPool;

public sealed class HeavyObjectProcessor
{
    private readonly ObjectPool<HeavyObject> _pool;

    public HeavyObjectProcessor()
    {
        var policy = new DefaultPooledObjectPolicy<HeavyObject>();
        _pool = new DefaultObjectPool<HeavyObject>(policy, maximumRetained: 100);
    }

    public void Process()
    {
        var obj = _pool.Get();

        try
        {
            obj.DoWork();
        }
        finally
        {
            _pool.Return(obj);
        }
    }
}

6. Memory

Span와 달리 필드에 저장하거나 async 메서드에서 사용 가능합니다.

csharp
public sealed class AsyncProcessor
{
    private Memory<byte> _buffer;

    public AsyncProcessor(int size)
    {
        _buffer = new byte[size];
    }

    // Memory<T>는 async 메서드에서 사용 가능
    public async Task ProcessAsync()
    {
        await FillBufferAsync(_buffer);
        ProcessData(_buffer.Span);
    }
}

7. 필수 NuGet 패키지

xml
<ItemGroup>
  <PackageReference Include="Microsoft.Extensions.ObjectPool" Version="9.0.*" />
</ItemGroup>

8. 주의사항

⚠️ Span 제약

  • Span<T>, ReadOnlySpan<T>는 async-await와 함께 사용 불가
  • ref struct이므로 Boxing 불가
  • 클래스 필드로 저장 불가 (Memory 사용)
  • 람다/클로저에서 캡처 불가

⚠️ ArrayPool 반환 필수

  • Rent()로 대여한 배열은 반드시 Return() 호출
  • try-finally 패턴 사용 권장
  • 반환하지 않으면 메모리 누수 발생

⚠️ 대여 크기 vs 실제 크기

csharp
// 요청한 크기보다 큰 배열이 반환될 수 있음
var buffer = ArrayPool<byte>.Shared.Rent(100);
// buffer.Length >= 100 (정확히 100이 아님)

// 실제 사용 시 요청 크기만 사용
ProcessBuffer(buffer.AsSpan(0, 100));

9. 참고 문서

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