Node.js 인터뷰 질문 43

질문: Node.js에서의 가비지 컬렉션(Garbage Collection)에 대해 설명하고, 메모리 누수를 방지하기 위한 방법을 설명해주세요.

답변:

Node.js는 V8 JavaScript 엔진을 기반으로 하므로, V8의 가비지 컬렉션 메커니즘을 사용하여 메모리 관리를 수행합니다. 가비지 컬렉션은 더 이상 필요하지 않은 메모리를 자동으로 식별하고 해제하는 프로세스입니다.

V8 가비지 컬렉션의 기본 원리

V8 엔진은 다음과 같은 가비지 컬렉션 전략을 사용합니다:

1. 세대별 수집(Generational Collection)

V8은 '젊은 세대(Young Generation)'와 '오래된 세대(Old Generation)'라는 두 가지 주요 메모리 영역으로 객체를 구분합니다:

  • 젊은 세대(Young Generation): 새로 생성된 객체가 저장됩니다. 이 영역은 작고 가비지 컬렉션이 자주 발생합니다.
  • 오래된 세대(Old Generation): 젊은 세대에서 생존한 객체가 이동됩니다. 이 영역은 크고 가비지 컬렉션이 덜 자주 발생합니다.

2. Scavenge 알고리즘 (젊은 세대)

젊은 세대는 두 개의 공간(From-space와 To-space)으로 나뉘며 Scavenge 알고리즘을 사용합니다:

  1. 새 객체는 From-space에 할당됩니다.
  2. 가비지 컬렉션 중에 살아있는 객체는 To-space로 복사됩니다.
  3. 복사 후 From-space와 To-space의 역할이 교환됩니다.
  4. 여러 가비지 컬렉션 사이클 후에도 살아남은 객체는 오래된 세대로 승격됩니다.

3. Mark-Sweep-Compact 알고리즘 (오래된 세대)

오래된 세대는 다음 단계로 수행되는 Mark-Sweep-Compact 알고리즘을 사용합니다:

  1. 마킹(Mark): 도달 가능한(사용 중인) 객체를 표시합니다.
  2. 스위핑(Sweep): 표시되지 않은 객체를 메모리에서 제거합니다.
  3. 압축(Compact): 살아남은 객체를 메모리에서 연속적으로 재배치하여 메모리 단편화를 줄입니다.

4. 증분 마킹(Incremental Marking)

V8은 큰 메모리 힙에서 가비지 컬렉션으로 인한 일시 중지 시간을 줄이기 위해 증분 마킹을 사용합니다. 이는 마킹 작업을 작은 단계로 나누어 실행함으로써 애플리케이션 실행과 함께 인터리브합니다.

Node.js에서 가비지 컬렉션 관련 옵션

Node.js는 V8 가비지 컬렉터의 동작을 제어하는 여러 명령줄 옵션을 제공합니다:

# 가비지 컬렉션 로그 활성화
node --trace-gc app.js

# 힙 통계 출력
node --trace-gc-verbose app.js

# 가비지 컬렉션 시간의 최대 지연 설정 (밀리초)
node --max-old-space-size=2048 app.js  # 오래된 세대 메모리 증가

Node.js에서 일반적인 메모리 누수 원인

메모리 누수는 더 이상 필요하지 않은 객체가 가비지 컬렉터에 의해 수집되지 않을 때 발생합니다. Node.js에서 가장 일반적인 메모리 누수 원인은 다음과 같습니다:

1. 종료되지 않은 참조

전역 변수나 클로저에 유지되는 참조로 인해 큰 객체가 메모리에 계속 남아 있을 수 있습니다:

// 전역 범위의 배열
let dataStore = [];

function processData(data) {
  // dataStore에 계속 데이터 추가
  dataStore.push(data);

  // 처리 로직...
}

// dataStore는 계속 커지지만 정리되지 않음

2. 이벤트 리스너 누수

이벤트 리스너를 제거하지 않으면 관련된 객체와 리스너 콜백 함수가 메모리에 유지됩니다:

function createButton() {
  const button = document.createElement("button");

  // 이벤트 리스너 추가
  button.addEventListener("click", function () {
    // 크고 복잡한 데이터를 참조하는 로직
    console.log("버튼 클릭됨!");
  });

  return button;
}

// 버튼을 반복해서 생성하고 제거하지만 이벤트 리스너는 정리되지 않음

3. 타이머(Timer) 참조

setTimeout 또는 setInterval이 정리되지 않으면 콜백 함수와 그 클로저가 메모리에 유지됩니다:

function startProcessing(data) {
  // 계속 실행되는 타이머
  setInterval(function () {
    // data 객체를 계속 처리
    console.log("데이터 처리 중...", data);
  }, 1000);
}

// startProcessing이 여러 번 호출되면 여러 타이머가 생성되어 각각 data 참조 유지

4. 순환 참조

객체가 서로를 참조하는 순환 참조는 최신 가비지 컬렉터에서는 잘 처리되지만, 복잡한 구조에서는 여전히 문제가 될 수 있습니다:

function createObjects() {
  let obj1 = {};
  let obj2 = {};

  // 순환 참조 생성
  obj1.ref = obj2;
  obj2.ref = obj1;

  return obj1;
}

// obj1이 반환되었지만 obj2도 여전히 메모리에 유지됩니다.

5. 클로저 관련 문제

클로저는 외부 함수의 변수를 참조할 수 있으며, 이로 인해 의도치 않게 큰 객체가 메모리에 유지될 수 있습니다:

function createProcessor(data) {
  // data는 매우 큰 객체일 수 있습니다

  return function process() {
    // 데이터의 일부만 사용하지만, 전체 data 객체를 참조
    console.log("처리 중...", data.id);
  };
}

const processor = createProcessor(hugeData);
// hugeData 전체가 메모리에 유지됨

메모리 누수 방지 및 해결 방법

1. 참조 해제하기

더 이상 필요하지 않은 객체에 대한 참조를 명시적으로 해제합니다:

let data = fetchLargeData();
processData(data);
data = null; // 참조 해제

2. 이벤트 리스너 정리

더 이상 필요하지 않은 이벤트 리스너를 제거합니다:

const handler = function () {
  console.log("이벤트 처리!");
};

// 이벤트 리스너 추가
element.addEventListener("click", handler);

// 필요 없을 때 리스너 제거
element.removeEventListener("click", handler);

Node.js의 EventEmitter 사용 시:

const EventEmitter = require("events");
const emitter = new EventEmitter();

function handleEvent() {
  console.log("이벤트 처리!");
}

// 이벤트 리스너 추가
emitter.on("event", handleEvent);

// 필요 없을 때 리스너 제거
emitter.removeListener("event", handleEvent);
// 또는
emitter.off("event", handleEvent); // Node.js 10 이상

3. 타이머 정리

setTimeout과 setInterval의 반환값을 저장하고 필요 없을 때 정리합니다:

// 타이머 시작
const timerId = setInterval(() => {
  console.log("실행 중...");
}, 1000);

// 필요 없을 때 타이머 정리
clearInterval(timerId);

4. WeakMap과 WeakSet 활용

약한 참조를 위해 WeakMap과 WeakSet을 사용합니다. 이들은 키 객체에 대한 약한 참조를 유지하므로, 다른 참조가 없으면 가비지 컬렉션의 대상이 됩니다:

// 일반 Map 대신 WeakMap 사용
const cache = new WeakMap();

function processObject(obj) {
  if (cache.has(obj)) {
    return cache.get(obj);
  }

  const result = expensiveOperation(obj);
  cache.set(obj, result);
  return result;
}

// obj에 대한 다른 참조가 사라지면, cache의 항목도 자동으로 정리됨

5. 객체 풀링 및 재사용

객체 생성 및 가비지 컬렉션 비용을 줄이기 위해 객체 풀링을 사용합니다:

class ObjectPool {
  constructor(createFn, resetFn, initialSize = 10) {
    this.createFn = createFn;
    this.resetFn = resetFn;
    this.pool = [];

    // 초기 객체 생성
    for (let i = 0; i < initialSize; i++) {
      this.pool.push(this.createFn());
    }
  }

  acquire() {
    return this.pool.length > 0 ? this.pool.pop() : this.createFn();
  }

  release(obj) {
    this.resetFn(obj);
    this.pool.push(obj);
  }
}

// 사용 예
const bufferPool = new ObjectPool(
  () => Buffer.alloc(1024),
  (buffer) => buffer.fill(0),
  100
);

function processData() {
  const buffer = bufferPool.acquire();
  // 버퍼 사용...
  bufferPool.release(buffer); // 재사용을 위해 반환
}

6. 스트림 사용하기

큰 데이터셋을 처리할 때는 메모리에 모든 데이터를 로드하지 않고 스트림을 사용합니다:

const fs = require("fs");

// 대용량 파일 처리 (나쁜 예)
// fs.readFile('large-file.csv', (err, data) => {
//   // 전체 파일을 메모리에 로드 -> 메모리 문제 발생 가능
//   processData(data);
// });

// 스트림 사용 (좋은 예)
const readStream = fs.createReadStream("large-file.csv");
readStream.on("data", (chunk) => {
  // 청크 단위로 처리
  processChunk(chunk);
});

7. 클로저 최적화

클로저에서는 필요한 데이터만 참조하도록 합니다:

function createProcessor(data) {
  // 필요한 데이터만 추출
  const id = data.id;
  const name = data.name;

  // data 전체가 아닌 필요한 부분만 캡처
  return function process() {
    console.log("처리 중...", id, name);
  };
}

메모리 누수 디버깅 도구

1. Node.js의 내장 기능

// 현재 메모리 사용량 확인
console.log(process.memoryUsage());
/*
{
  rss: 30932992,      // 상주 세트 크기
  heapTotal: 6537216, // V8에 할당된 총 힙 크기
  heapUsed: 4339128,  // V8이 실제 사용 중인 힙 크기
  external: 8272      // C++ 객체와 같은 V8 외부 메모리
}
*/

2. Heap 스냅샷 분석

# heapdump 모듈 설치
npm install heapdump

const heapdump = require("heapdump");

// 힙 스냅샷 생성
heapdump.writeSnapshot("./heap-" + Date.now() + ".heapsnapshot");

생성된 힙 스냅샷 파일은 Chrome DevTools에서 분석할 수 있습니다.

3. Node.js Inspector

Node.js v8.0.0부터 내장된 inspector를 사용하여 메모리 프로파일링을 수행할 수 있습니다:

# 검사기 활성화
node --inspect server.js

Chrome DevTools에서 chrome://inspect를 열어 Node.js 앱에 연결하고 메모리 프로파일링을 수행할 수 있습니다.

4. clinic.js

clinic.js는 Node.js 애플리케이션의 성능 문제를 진단하는 도구입니다:

# 설치
npm install -g clinic

# 메모리 사용 분석
clinic heapprofile -- node server.js

메모리 누수 방지를 위한 모범 사례

  1. 불필요한 전역 변수 피하기: 필요한 경우에만 전역 변수를 사용하고, 더 이상 필요하지 않으면 참조를 해제합니다.

  2. 이벤트 핸들러 정리: 특히 장시간 객체에 이벤트 리스너를 추가할 때는 더 이상 필요하지 않을 때 제거해야 합니다.

  3. 타이머 정리: setTimeout과 setInterval을 사용할 때는 필요 없어지면 clearTimeout과 clearInterval로 정리합니다.

  4. 메모리 사용 모니터링: 애플리케이션의 메모리 사용량을 정기적으로 모니터링하여 누수를 조기에 발견합니다.

  5. 객체 참조 최소화: 특히 장기간 살아있는 객체에서는 필요한 최소한의 데이터만 참조합니다.

  6. 메모리 집약적 작업 청킹: 큰 작업을 작은 청크로 나누어 메모리 압력을 줄입니다.

  7. 풀링 및 재사용 패턴 적용: 객체를 자주 생성하고 폐기하는 대신 재사용합니다.

  8. 약한 참조 활용: 적절한 경우 WeakMap과 WeakSet을 사용합니다.

실제 예시: 메모리 누수가 있는 Express 서버

const express = require("express");
const app = express();
const requestData = {}; // 문제: 전역 객체에 데이터 저장

app.get("/api/data", (req, res) => {
  const requestId = Math.random().toString();

  // 각 요청마다 고유 ID 할당 및 데이터 저장
  requestData[requestId] = {
    timestamp: Date.now(),
    query: req.query,
    largeData: new Array(10000).fill("*"), // 큰 데이터
  };

  // 처리 로직...
  res.json({ id: requestId, result: "success" });

  // 문제: requestData에서 항목이 제거되지 않음
});

app.listen(3000);

위 서버는 요청 데이터를 저장하지만 정리하지 않으므로 메모리 누수가 발생합니다.

개선된 버전:

const express = require("express");
const app = express();
const requestData = {}; // 여전히 필요하지만 적절히 관리

app.get("/api/data", (req, res) => {
  const requestId = Math.random().toString();

  // 각 요청마다 고유 ID 할당 및 데이터 저장
  requestData[requestId] = {
    timestamp: Date.now(),
    query: req.query,
    largeData: new Array(10000).fill("*"), // 큰 데이터
  };

  // 처리 로직...
  res.json({ id: requestId, result: "success" });

  // 응답 후 데이터 정리 (즉시 또는 타임아웃 후)
  setTimeout(() => {
    delete requestData[requestId];
  }, 5000); // 5초 후 데이터 삭제
});

// 추가 안전 장치: 오래된 항목 정기적으로 정리
setInterval(() => {
  const now = Date.now();
  Object.keys(requestData).forEach((id) => {
    if (now - requestData[id].timestamp > 30000) {
      // 30초 이상 된 항목
      delete requestData[id];
    }
  });
}, 60000); // 1분마다 실행

app.listen(3000);

요약

  • Node.js 가비지 컬렉션은 V8 JavaScript 엔진의 세대별 가비지 컬렉션 전략을 사용합니다.
  • 주요 메모리 누수 원인으로는 종료되지 않은 참조, 이벤트 리스너 누수, 정리되지 않은 타이머, 순환 참조, 클로저 등이 있습니다.
  • 메모리 누수 방지 방법에는 참조 해제, 이벤트 리스너 정리, 타이머 정리, WeakMap/WeakSet 사용, 객체 풀링, 스트림 활용 등이 있습니다.
  • 모니터링 및 디버깅 도구로는 process.memoryUsage(), heapdump, Node.js Inspector, clinic.js 등이 있습니다.

메모리 누수는 장시간 실행되는 Node.js 애플리케이션에서 중요한 문제이며, 특히 프로덕션 환경에서는 더욱 주의해야 합니다. 적절한 메모리 관리 방법을 적용하고 주기적으로 모니터링하는 것이 중요합니다.

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