[C#]메모리 계층 구조

C#을 기준으로 메모리 계층 구조(Memory Hierarchy)는 속도와 접근 비용에 따라 다단계로 구성된 저장 계층을 말합니다. 하드웨어 구조적 개념이지만, C#의 동작 방식과 어떻게 연결되는지도 함께 설명하겠습니다.

🧠 1. 메모리 계층 구조 (Memory Hierarchy)

🔺 빠르지만 비싸고 작음

🔻 느리지만 싸고 큼

레지스터 < 캐시 메모리 < 주기억 장치 (DRAM) < 보조기억 장치 (HDD, SSD)

🧩 관련 개념 설명

✅ 레지스터

• CPU 내부에서 연산에 직접 사용
• C#의 지역 변수는 컴파일러에 따라 레지스터로 최적화될 수 있음 (특히 int 등 값 형식)

int a = 10; // JIT 최적화 시 레지스터에 저장 가능

✅ 캐시 메모리 (L1, L2, L3)

• CPU는 메모리 접근보다 캐시 접근이 훨씬 빠름
• C#에서 반복적으로 접근하는 같은 데이터는 CPU 캐시에 남아 있을 확률이 높음

for (int i = 0; i < array.Length; i++)
{
    total += array[i]; // 연속된 메모리 접근 → 캐시 적중률 ↑
}

✅ 주기억 장치 (DRAM, SRAM)

• 프로그램이 실행되면 코드, 데이터, 힙/스택 등이 RAM에 로드
• C#의 new, 메서드 호출, 스택 프레임 등 대부분은 여기서 수행됨

string name = "홍길동"; // 힙에 저장
int age = 25;           // 스택에 저장 (레지스터 최적화 가능)

✅ 보조 기억 장치

• .exe 파일, 로그, DB, 파일 저장 등
• 접근 속도가 느리므로 I/O 연산은 비동기 처리가 많음

string content = await File.ReadAllTextAsync("data.txt");

⚙️ 주소 체계와 변환

✅ 논리 주소 (Logical Address)

• 프로세스 관점 주소
• C# 실행 시 관리되는 메모리 주소 (ex: 0x004000 같은 가상 주소)

✅ 물리 주소 (Physical Address)

• 실제 RAM의 주소
• C#에서는 직접 접근 불가하지만, OS가 MMU를 통해 변환함

✅ MMU (Memory Management Unit)

• 논리 주소 → 물리 주소로 변환
• 메모리 보호 및 캐싱 제어도 담당
• C#은 OutOfMemoryException, AccessViolationException 등 예외로 그 영향을 봄

✅ 메모리 인터리빙

• 여러 은행(bank)에 메모리를 나눠 배치하여 병렬 접근 속도 증가
• C# 수준에서는 보이지 않지만, 대규모 배열 접근시 성능 향상에 영향

✅ TLB (Translation Lookaside Buffer)

• MMU의 주소 변환을 캐시하는 구조
• 반복적으로 접근하는 주소는 빠르게 변환됨 → C# 반복문 성능 향상

for (int i = 0; i < 1000000; i++)
    array[i]++; // 배열은 연속된 메모리, TLB 히트율 ↑

📌 정리표

🎯 C# 프로그래머가 주의할 점

• 배열은 연속된 메모리로 캐시 친화적 → 성능에 유리
• 클래스 객체는 힙, 구조체는 값형식으로 스택 → 메모리 구조 이해 필요
• 비동기 파일/DB 접근은 느린 보조기억장치 접근이므로 async/await 적극 활용
• 큰 배열 반복 시 캐시/인터리빙 고려 → 배열 크기 조절 또는 Chunking 고려