[Swift] Struct, Class 부시기 (차이점, class 와 ARC, stack할당, heap할당)

이전에 Struct와 Class에 대한 개념과 두 개의 차이점에 대해서 포스팅했던 적이 있다. 스위프트의 'ㅅ' 도 모를 때 정리했던 글이라 도저히 지금와서 생각했을때 도움이 되지 않...았기 때문에 struct와 class에 대해서 다시 다뤄보려고 한다.

최근에 SwiftUI로 많은 프로젝트를 진행하면서 Struct를 많이 사용했었다. 그 이유에 대해서 멘토님이 "struct는 초기화를 하지 않기 때문에 코드값이 줄어들고, stack에 메모리를 할당하기 때문에 더 빠르고 가볍다" 라고 장점에 대해서 말씀해주셨다. 이 부분에 대해서 자세한 이해를 위해 해당 포스팅을 다짐했다.

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우선 간단하게 말하면 "Class는 참조타입이고, ARC로 메모리 관리르 한다. Struct는 값타입이다."라는게 가장 큰 차이점이다. 이게 과연 개발자에게 어떤의미가 있을지 궁금해졌다. 프로젝트를 진행하면서 SwiftUI를 사용했는데, 이상할정도로 Struct가 많이 쓰였기 때문에 도대체 어떤 부분에서 어떻게 class와 무슨 차이가 있는건지도 궁금해졌다.

그런 의미로 다시한번 짚고 넘어가보려고 한다.

▶️ Struct(구조체) 와 Class의 공통점

• 값을 저장할 프로퍼티를 선언할 수 있다.
• 합수적 기능을 하는 메서드를 선언할 수 있다.
• 내부 값에 . 을 사용하여 접근할 수 있다.
• 생성자를 사용해 기능을 확장할 수 있다.
• extension을 사용하여 기능을 확장할 수 있다.
• Protocol을 채태하여 기능을 설정할 수 있다

 

📌 차이점

▶️ Struct(구조체)

• 값타입이다.
• 구조체 변수를 새로운 변수에 할당할 때마다 새로운 구조체가 할당된다.
  즉, 같은 구조체를 여러 개의 변수에 할당한 뒤 값을 변경시키더라도 다른 변수에 영향을 주지 않는다.

▶️ Class(클래스)

• 참조타입이다.
• ARC로 메모리를 관리한다.
• 같은 클래스 인스턴스를 여러 개의 변수에 할당한 뒤 값을 변경시키면, 할당한 모든 변수에 영향을 준다.
• 상속이 가능하다.
• 타입캐스팅을 통해서 클래스의 인스턴스 타입을 확인할 수 있다.
• deinit을 사용하여 클래스 인스턴스의 메모리할당을 해제 할 수 있다.

 

가장 큰 차이점이 값타입 vs 참조타입이다. 이 차이를 알아보기 위해 코드로 살펴보자.

이처럼 클래스는 인스턴스의 값을 할당하덛라도, 참조된 클래스 그 자체의 값이 변경된다. class의 count에 3을 할당하고, class2 count에는 4를 할당했다. 그러고 출력해보니, 뒤늦게 할당한 4가 모든 class 인스턴스에 들어가있다. 그리고 더불어서 아무값도 할당해주지 않았던 class3.count 에도 4가 들어있다. 이게 바로 class의 가장 대표적이 특징인 참조타입이라는 것이다.

반면에 struct 는 새로운변수에 구조체를 할당하여 새로운 인스턴스를 만들어주면, 매번 새로운 메모리가 할당되어 매번 새로운 구조체가 할당된다. 그래서 값을 아래처럼 변경해도, 그 인스턴스만의 고유의 값을 갖는다. --> 값타입

 

그럼 여기서 메모리 이야기가 나오는데 도대체 ARC로 메모리를 관리한다는게 무슨뜻일까

 

▶️ Class 의 메모리 관리 : ARC

 참조타입은 하나의 인스턴스가 참조를 통해 여러 곳에서 접근하기 때문에 언제 메모리에서 해제되는지가 중요한 문제라고 한다. 적절한 시점에 인스턴스가 해제되지 않으면 한정적인 메모리 자원을 낭비하게 되고, 이는 성능저하로 이어지기 때문이다.

swift는 프로그램의 메모리 사용을 관리하기 위해서 메모리 관리 기법인 ARC(Automatic Reference Counting)을 사용한다.

ARC가 관리해주는 Reference Counting (참조 횟수를 계산하는 거)는 참조타입인 클래스의 인스턴스에만 적용된다. 구조체나 enum은 값타입으로 다른곳에서 참조하지 않기 때문에 ARC로 관리할 필요가 없다.]

 

ARC란?

자동으로 메모리를 관리해주는 방식이다. 자동으로 그냥 작동해주기 때문에 개발자는 메모리에 대해서 신경을 덜 쓸 수 있다.

▶ 인스턴스 생성

클래스의 인스턴스가 생성되면 해당 인스턴스의 정보는 HeapObject라는 Struct로 관리된다. ARC의 메커니즘은 Swift Runtime이라는 라이브러리에 구성되어 있는데, Swift Runtime은 동적 할당 되는 모든 모든 object를 HeapObject라는 struct로 표현한다. 또한 HeapObject에서는 Swift에서 객체를 구성하는 모든 데이터, 즉 reference count와 type meta data를 포함하고 있다. heap 할당에 대해서는 조금만 밑에서 다시 알아보자.

▶ 인스턴스 해제

ARC는 인슨턴스가 더 이상 필요하지 않다고 생각 되면 해당 인스턴스를 메모리에서 해제시킨다. 그런데 만약 인스턴스를 해제했을 때, 해당 인스턴스를 다른데서 또 사용해야한다면 인스턴스의 프로퍼티와 함수에 접근이 불가하고, 앱이 죽어버리는 경우가 생긴다. 

따라서 ARC는 해당 인스턴스를 참조하는 다른 인스턴스의 프로퍼티나 변수, 상수 등의 개수를 세고, 해당 인스턴스에 대한 활성 참조가 1개 이상 존재하는 한 인스턴스를 메모리에서 없애지 않는다.

그럼 이제 코드를 통해서 조금 더 쉽게 이해해보자.

• line 42 에서 참조 카운트가 2가 출력됐다. 원래 참조 카운트는 2가 기본값이다. 
• line 45 에서는 3이 출력됐다. line 44 에서 한번 더 참조를 해주었기 때문에 +1이 되었기 때문이다.
• line 48 에서는 -1 된 2가 출력됏다. line 47 에서 nil을 주어 참조하나를 해제해주었기 때문이다.
• 마지막으로 참조해제를 해주었더니 참조카운트가 1 감소하여 더이상 참조하는 곳이 없으므로 deinit이 실행된 것을 볼 수 있다.

하지만 이러한 특징 때문에 retain Cycle이 발생하기도 한다. 

이 코드에서 마지막에 "할당해제"가 출력되지 않았다. 더 이상 classA, classB에 접근할 방법이 없는데도 불구하고 참조 카운트가 0이 되지 않아서 deinit이 실행되지 않은 것이다. 이렇게 되면 메모리 누수가 발생하게 된다.

이는 weak unowned 참조를 사용하면 해결할 수 있다고 한다. 그럼 짤막하게 나마 weak 참조를 사용하여 코드를 작성해보자.

line 114, 115를 보면, 참조를 한번 더 해주었는데도 참조 카운트가 증가하지 않았다. 이는 weak참조를 사용했기 때문에 참조 카운트가 증가하지 않은 것이다. 

이처럼 weak 참조를 사용하면 retain cycle을 방지할 수 있다. 이러한 특징 때문에 class와 struct 는 메모리에 저장되는 위치가 다르다. 구조체는 언제 생기고, 사라질지 컴파일 단계에서 알 수 있기 때문에 메모리의 stack 공간에 할당되고, 클래스는 참조가 어디서 어떻게 될지 모르기 때문에 heap 이라는 공간에 할당되게 된다. 그럼 이제 stack 할당과 heap 할당에 대해서 알아보자.

 

▶ stack 할당

stack 은 LIFO 형태의 자료구조이다. (참고) 자료구조 특성상 하나의 명령어로 메모리를 할당, 해제할 수 있다. 또 컴파일 단계에서 언제 생성되고 언제 해제되는지 알 수 있는 구조체와 같은 값들이 스택에 저장되게 된다.

스레드들은 각각 독립적인 stack 공간을 가지고 있기 때문에 상호 배제를 위한 자원이 필요하지 않는다. 즉, 스레드로부터 안전하다는 말이 된다. 이러한 특징 때문에 stack 값들을 사용하는 것이 heap 값을 사용하는 것보다 빠를 수 밖에 없다.

▶ heap 할당

heap 에서는 컴파일 단계에서 생성과 해제를 알수 없는 참조 타입의 객체가 할당된다.즉, swift 에서는 클래스 객체가 힙에 할당된다. heap은 메모리 할당과 해제가 하나의 명령어로 처리되지 않기 때문에 stack 보다 관리하기가 힘들다. stack 에서는 pop, push 라는 명령어로 값을 할당, 해제할 수 있지만, heap 은 참조 계산도 해주어야 하므로, 복잡하다.

또 heap은 스레드가 공유하는 메모리 공간이기 때문에 스레드로부터 안전하지 않다. 이를 관리해주기 위한 lock 과 같은 자원도 필요하게 되고, 이는 곧 오버헤드로 이어지게 된다.

이렇게 stack할당이냐, heap할당이냐에 따라 값이 어디에 저장되는지에 차이가 있다.

 

📌 값타입의 Copy-on-assignment, Copy-on-write 

앞에서 struct와 같은 값타입은 다른 변수에 값을 할당하면 메모리가 복사된다고 했다. 그래서 여러 인스턴스의 값을 바꾸어도, 그 인스턴스에만 저장된다고.

이렇게 새로운 메모리 공간에 같은 값을 복사해서 쓰는 방식을 copy on assignment 라고 한다.

반면에 copy on write는 다른 변수에 할당하기 위해서는 일단 메모리는 할당하지 않고, 같은 곳을 바라보는 방법이다. 그러다가 해당 값을 변경하게 되면 그때! 실제로 사용되는 메모리 값을 복사하고 값을 변경한다. swift 에서는 Int, String, Double, Array, Set, Dictonary에서만 사용하고 있다.

 

📌 Struct, Class 언제 사용하냐?

지금까지 두개의 차이에 대해서 알아보았다. 그럼 언제 어느 시점에서 struct를 사용하고, class 를 사용해야할까?

• 단순한 데이터의 값을 보유하기 위해서는 struct를 쓰는게 좋다.
• 메모리의 stack은 크기가 크지 않기 때문에 작은 값을 갖는 데이터를 처리할 때 구조체를 사용한다.
• objective-C 와 상호 운용성을 원할 때는 클래스를 사용한다.

 

 

해당 글을 포스팅하고 공부하면서, 단순히 swift 공식 문서에 나와있는 내용만 잘 알고 있는 개발자가 아니라, 어떻게 하면 성능개선을 할 수 있을지, 어떤 코드가 더 좋은 코드일지, 어느 상황에서 어떤 코드를 사용해야할지 조금 더 깊게 고민하는 개발자가 되어야 겠다고 생각했다.

 

📖 Reference

https://velog.io/@ssionii/Swift-%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC-%EA%B4%80%EB%A6%AC-a.k.a-ARC-%EC%97%90-%EB%8C%80%ED%95%B4-%EC%95%84%EB%9D%BC%EB%B3%B4%EC%9E%90-ARC%EB%9E%80

Swift 메모리 관리에 대해 아라보자 - (1) ARC란?

https://icksw.tistory.com/256

[Swift] Class와 Struct의 차이점?