홍성민 - Swift의 Memory 관리란?

Date: October 18, 2022 Tags: Memory Allocation, Swift

프로그래밍 언어를 배우면서, 그리고 기술 면접에서도 나오는 영역이 언어의 메모리 영역에서 일어나는 일에 관한 것이죠! 저는 iOS 에서 주력으로 쓰이는 Swift 라는 언어 내부에서 일어나는 일들에 대해서 공유해보고자 합니다.

우선 이 이야기를 하기 위해서는 Stack 과 Heap 이라는 메모리 영역에 대해서 알아야 합니다. 자료구조에서 나오는 개념과는 아에 다른 것이니 헷갈리지 마세요!

🤓기초적인 설명부터 하겠습니다!

컴공 지식이 아에 없으신 분들을 위해서 기본 배경부터 간단히 설명 드리겠습니다!

코드의 실행

컴퓨터의 프로그램(또는 코드)는 대표적으로 두가지 방법으로 실행 시킬 수 있습니다.

컴파일(Compile): 흔히 코드 뭉치를 한번에 묶어서 실행하는 방식 C, Java, Swift 등 언어
- Compiler: 코드를 여러 오브젝트 파일(.obj) 로 번역
- Linker: 여러 오브젝트 파일(+ 라이브러리 코드)을 하나의 뭉치로 묶음. 해당 묶음은 실행 파일이 됨
- Loader: 하나의 실행 파일을 메모리에 적재함(실행시킴)
인터프리드: 코드의 한줄 한줄을 파일 실행 시 실행 시키는 방식 Python, Javascript
- 여기서는 다루지 않겠습니다.

Swift 같은 경우도 컴파일러가 있고 코드가 Compile - Link - Load 방식으로 준비가 되며 메모리에 적재되어 실행 됩니다. 여기서 소스 코드의 내용이 메모리의 어느 부분에 적재가 되는지의 여부가 달라지게 되는데, 크게 저희는 Stack 과 Heap 부분으로 나누어 보려고 합니다.

Call by Value - Call by Reference - Call by Address

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Swift 언어에서는 총 3가지로 타입 선언이 이루어집니다. class struct 그리고enum 타입입니다. 위 사진과 같이 Int 타입 또한 struct 타입이라고 나와 있으며, 흔히 View Model 에서 사용되는 ObservableObject 는 class 로 의 일종인 protocol 타입 입니다. 여기서 class struct 그리고enum 이 갖는 성질에 따라서 두 가지로 분류하는데, **Value** 타입(struct, enum) 과 **Reference** 타입(class) 로 나뉩니다.

Value Type: 새로운 변수에 값을 할당할 때, 해당 변수에 값을 직접 저장합니다. 즉, 메모리에 새로운 변수에 할당된 값의 자리를 새로 만들어줘야 합니다.
Reference Type: 새로운 변수에 값을 할당할 때, 해당 변수의 값은 메모리 한 구석에 있고, 변수는 해당 메모리를 가리키고 있을 뿐입니다. 여러 변수가 같은 메모리 위치의 값을 가리킬 수(참조할 수) 있습니다.

그래서 프로그램이 실행되면서 코드에 적힌 변수의 타입에 따라서 메모리에서 해당 값이 호출이 될 때 Call by Value(Value 타입으로 지정된 변수의 메모리 호출) 또는 Call by Reference(Reference 타입의 포인터(참조) 호출)가 되는 것입니다.

자, 이제 두가지 타입을 알았으니 해당 타입의 변수들이 어느 메모리 부분에 저장되는 지 알아야겠습니다.

Stack vs Heap

Stack이란?

Value Type의 데이터를 저장하는 장소 입니다. Swift 언어에서는 번외로 Reference Type 이 저장이되는 경우가 있긴 합니다. “Stack Promotion” 이라고 불리며 이것에 대해서는 다른 글로 정리해보겠습니다.

Stack 의 특징을 살펴보자면,

Memory allocation: 값들이 Compile 될 때 Stack에 할당이 됩니다.
Temporary memory allocation: Compile 시 해당 메서드(struct)가 호출되어 실행될 때에만 값이 접근 가능합니다. 즉, Stack 메모리 할당은 Compiler 몫 입니다.
Thread Safety: 오직 해당 메서드(struct)가 실행 중인 쓰레드에서만 접근 가능합니다. 쉽게 말해서 해당 작업을 하고 있는 일꾼만 그 일을 제어할 수 있는 겁니다.
Speed and Storage: 할당과 비할당 속도가 빠름니다. 저장 공간이 비교적 적습니다.
Automatic: 자동으로 메모리를 할당하고 비할당 시킵니다.

Heap이란?

Reference Type의 데이터를 저장하는 장소 입니다. Swift 언어에서는 번외로 Value Type 이 저장이되는 경우가 있긴 합니다. “Boxing” 이라고 불리며 위 Stack Promotion 과 함께 다루겠습니다.

Heap의 특징으로는,

Memory allocation: Run-time에 Heap에 할당 됩니다. Run-time은 loader 에 의해 프로그램이 실행되고 있을 때를 말합니다.
Dynamic memory allocation: Heap 메모리 할당은 프로그래머의 몫 입니다. 따라서 할당된 메모리를 비할당 상태로 만드는 것도 프로그래머가 해야합니다. (Memory leak 의 가능성)
Thread Safety: Heap 영역의 메모리는 모든 쓰레드에서 접근 가능합니다. 쉽게 말해 모든 일꾼이 작업에 관여 할 수 있다는 뜻 입니다.
Speed and Storage: 할당과 비할당 속도가 느립니다. 저장 공간이 비교적 넓습니다. (Virtual Memory까지 먹기 때문입니다.)
Automatic: 프로그래머가 알아서 사용되지 않는 값을 메모리에서 비할당 시켜야합니다. (i.e. C에서 malloc(), free())

이렇게 각 메모리 영역의 특징을 알아보았습니다. 이제 iOS 에서 해당 메모리를 어떻게 관리하는 지 알아볼까요?

ARC(Automatic Reference Counting)이란?

위 Stack 과 Heap 의 차이에서 Heap은 메모리 관리를 프로그래머로 전가 시키기 때문에 메모리 누수(Memory Leak)라고 불리는 문제가 일어날 수 있습니다. 결국 할당된 메모리를 비할당 시키지 못하고 계속 메모리를 잡아 먹고 있기에 생기는 문제인데, 이것을 해결하기 위해 Java는 JVM이 관리하는 Garbage Collector가 있죠? Swift 에서는 ARC(Automatic Reference Counting: 자동으로 클라스의 참조 개수를 세어주는 기능)가 있습니다.

기존 iOS 개발에 사용되었던 Objective-C 라는 언어에서 제공한 MRC 방식과 유사하지만 자동(Automatic RC) 와 수동(Manual RC)이란 방식의 차이를 갖습니다. 그렇다면 ARC 와 MRC 의 자동/수동의 차이는 어떤건지 살짝만 알아보도록 하죠.

MRC 는 retain 과 release 라는 키워드를 사용해서 메모리 할당과 비할당을 직접 작성해 줘야합니다. C 에서 malloc() 과 free() 를 사용하는 것과 유사하죠. 이렇게 수동으로 참조하는 개수를 세어야 합니다.

ARC 는 메모리의 할당과 비할당을 Compiler 가 알아서 해주는 기능입니다. 객체의 참조 개수를 세어가면서 해당 객체에 대한 참조가 0이 되면 deinit 과 deallocation 을 진행하죠.

이렇게 보면 ARC 의 사용은 훨씬 간편해 보이지만 여기서 캐치가 있습니다. 만약 객체 A 와 객체 B 가 서로를 참조하고 있다면 어떤 일이 벌어질까요?

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서로의 참조 개수는 1로 유지되면서 두 객체가 할당 받은 메모리는 계속 할당되어 있을 것이므로 메모리 누수가 일어납니다. 이것을 retain cycle 또는 reference cycle 이라고 합니다. 그렇다면 retain cycle 을 없애기 위해서는 어떻게 코드를 짜야할까요?

객체 생명주기

우선 그것을 알기 전에 객체의 생명주기를 파악해 봅시다.

Allocation: Stack 또는 Heap 의 메모리를 할당 받습니다.
Initialization: init 함수로 인해 객체가 초기화 됩니다.
Use: 객체가 사용(실행) 됩니다.
De-initialization: deinit 함수로 인해 객체가 소멸 됩니다.
Deallocation: Stack 또는 Heap 에 할당된 메모리를 반환 합니다.

메모리 관리 문제

객체가 사용중일 때 해당 객체를 비할당 시키거나 데이터를 덮어 쓸때
객체가 사용 중이지 않을때 객체 할당을 비워주지 않을때
- → 이것을 ARC에서 자동으로 해주는데, 여기서 일어나는 retain cycle 로 인한 memory leak 을 해결하는 방법을 아래서 알아보겠습니다.

`weak` 그리고 `unowned`

위 strong reference 로 인해 생기는 retain cycle 의 문제는 객체 둘 중 하나의 참조를 weak 또는 unowned 참조로 지정해 주면서 해결할 수 있습니다. 그럼 여기서 strong weak 그리고 unowned 참조는 무엇이냐: Swift 에서 정의된 참조 종류 입니다. 아래 테이블을 참고 하자면,

Reference Type	var	let	optional	non-optional
strong	✅	✅	✅	✅
weak	✅	❌	✅	❌
unowned	✅	✅	❌	✅

각 weak 그리고 unowned 참조 타입에 대해서 각각 자세히 알아보죱.

Weak Reference: 객체 정의 시 앞에 붙혀주는 키워드 weak 을 통해 객체를 약한 참조를 갖는다고 지정할 수 있습니다. 항상 optional 형으로 선언이 되며 이렇게 선언된 객체의 reference count 를 증가 시키지 않습니다. 결국 참조가 없어지게 되면 nil 로 남게 됩니다.
Unowned Reference: Weak reference와 유사하게 약한 참조가 가능하며 대신 optional 지원을 하지 않습니다. 이 뜻은 객체에 대한 참조가 끝나게 되면 해당 메모리를 가리키는 포인터(댕글 포인터)로 남게 되는데, 해당 포인터를 참조하게 되면 crash가 나게 됩니다. 결국 객체가 사라지지 않을 것이라고 보장될 때만 unowned 는 설저하는 것이 좋습니다.

결국 둘 다 retain cycle 을 해결하는데 사용이 되며, unowned 는 사라지지 않는 것이 보장되는 객체에, weak 은 그 외에 케이스에 사용하면 되겠습니다.