Memory Value type vs Reference type

[Youngminah]

Type in Swift

• 스위프트의 타입은 크게 두 카테고리로 나뉩니다.

• Value Type (값타입)

  • struct, enum, tuple
  • 스위프트 기본형 타입 Int, Float, Double, Bool, String, Array, Dictionary, Set등 (stuct으로 구현되어있음)
  • data의 unique한 복사본을 생성함.
  • Reference Counting 개념을 사용하지 않는다!! - Retain count를 증가시키지 않는다.
  • 복사본에 관한 수정은 다른 변수에 영향을 주지 않는다.

• Reference Type (참조타입)

  • class, function, closure 등
  • shared instance 를 사용
  • 같은 참조를 가지는 변수에 관한 수정은 다른 변수에 대하여 영향을 준다.

어떤한 경우 적합할까? ⭐️ (쉬운내용이니 차근차근 읽어보기)

• 기본적으로 값타입 보다 참조타입이 성능적으로 추적에 대한 비용이 많이 들고, 값 타입은 리소스가 적게든다.
• Reference Type 보다 Value Type을 선택하는 주된 이유 중 하나는 성능말고도 의도치 않은 데이터의 변경을 방지 할 수 있다.
• 값 타입은 복사된 유니크한 instance를 얻을 수 있기 때문에, 다른부분에서 해당 데이터를 변경하지 않는다는 것을 보장받을 수 있다.
• 변경하려고 하면 새로운 유니크한 인스턴스가 복제된 이후 이것이 변경될 것이기 때문, 즉 메모리의 주소값 공유 안함.
• 조금 더 , 실무적인 이야기로는 다른 스레드에서 데이터를 변경할 수 있는 다중 스레드 환경에서 유용하다.
• 즉, Thread간 의도하지 않은 공유로부터 안전하다.
• (다중 스레드 환경에서 동일한 데이터를 변경하는 것은 디버그하기 굉장히 어려운 상황을 야기할 수 있다.)

Type에 따른 메모리 할당 공간

• 운영체제를 공부하다보면 위와 같은 메모리 구조를 한번쯤은 봤을 것이다.
• 이쯤에서 Swift의 스택, 힙에 관한 내용을 정리해보자

• Stack

  • 스택은 정적 메모리 영역으로 컴파일 타임에 결정된다.
  • 빠른 접근이 특징
  • 스택은 크기가 변하는 객체와 함께 사용되지 않는다.
  • 값 타입 중에 크기가 컴파일 시간에 결정될 수 있거나 참조 유형을 포함하지 않는다면 스택할당으로 이루어진다.

• Heap

  • 힙은 동적 메모리 영역으로 런타임에 결정된다.
  • 참조 시간, 할당/해제 비용 때문에 비교적 느린 접근이 특징.
  • 힙은 모든 사람들과 공유된다 !!
  • 값 타입중 크기가 컴파일 시간에 결정될 수 없는 경우, 참조유형에 포함된 경우 힙 영역에 저장.

• 일반적으로 생각하면 값타입 -> Stack영역 , 참조타입 -> Heap영역 1:1 매칭이라고 생각할 것이다.
• 하지만, 꼭 그런것은 아니다. ❗️❗️ 중요 ❗️❗️
• 값타입이 힙에, 참조타입이 스택에 저장될 때가 있다.
• 즉, Type에 따른 저장 공간이 상황에 따라 달라질 수 있다는 것이다.

Value Type이 Heap 메모리에 할당되는 경우

• 값 유형은 수명이 짧은 경우 스택에 저장될 수 있으며, 수명이 긴 경우 힙에 저장될 수 있다.❗️❗️
• 또한, 값 타입이 클래스의 일부인 경우 힙메모리 내부에 저장될 수 있다.
• 또한, 값 타입이 컴파일 시간동안 결정될 수 없는 경우 ( 프로토콜/ 일반 요구사항 등 때문에) 힙 할당이 이루어질 수 있다.
• Array, Dictionary, Set, String(collection of characters)과 같은 가변 길이 Collection들은
• 일반적으로 내부 데이터를 Heap 에 저장해서 사용된다.
• 상황에 따라 값 타입 자체가 스택에 저장되기도 한다.
• Array, String 등은 기본적으로 struct로 구현된 값 타입이기 때문에 인스턴스마다 유니크한 데이터를 가져야 한다.
• 하지만 매번 새로운 공간을 할당하고 복사하는 것은 부담이 있고, 특히 데이터가 거질 수록 부담은 커질것이다.
• 이러한 문제를 해결하기 위해 컬렉션은 Copy-On-Write: COW라는 기법을 사용한다.

• Copy-On-Write: COW

  • 값을 새로운 변수에 할당할 때 바로 복사본을 만드는 것이 아니라, 수정할 때 복사본을 만드는 기법이다.
  • 수정 전까지는 기존 element가 저장된 메모리 주소를 참조하는 공유 방식을 사용하는 것임.

Reference Type값이 Stack 메모리에 할당되는 경우

• 참조 타입의 사이즈가 고정되어 있거나 , 라이프 타임을 통해 예측할 수 있는 경우
• 즉, SIL에 의해 (추후설명) 컴파일 타임에 결정 할 수 있는 경우 스택에 할당 할 수 있다.

Swift Intermediate Language (SIL)

스위프트의 최적화, 분석과 관련된 하이레벨 중간 언어이다.

• SIL이란 Swift Intermediate Language의 약자로, Swift의 소스 코드를 실행 가능한 바이너리 코드로 바꿀 때, 다른 컴파일러(LLVM)가 취급하기 쉬운 중간표현(Intermediate Representation)으로 변환한 코드를 말함.
• Swift의 컴파일러는 LLVM을 통해서 바이너리 코드를 생성하는데,
• 바이너리 코드를 생성하는 과정에서 LLVM을 위한 중간표현인 LLVM IR을 생성하게 되고, SIL은 Swift 코드와 LLVM IR과의 중간에 위치

요약

• Stack 영역에 할당되는 객체는 크기가 변화할 수 업어야 하며, 공유되지 않으므로 컴파일 타임에 결정된다.
• Heap 영역에 할당되는 객체는 변화할 수 있고, 공유되므로 런타임에 결정된다.
• 값타입 -> Stack영역 , 참조타입 -> Heap영역 이다는 더이상 틀린 말❗️이다.
• 참조타입이 스택영역에 할당되는 것은 SIL에 의한 승격화로 이루어 진다.
• Collection Type(값타입) 중에 가변길이를 가지는 타입들은 일반 적으로 힙영역에 저장되서 사용되며
• COW 방식을 이용하여 수정할 때 복사본으로 스택 메모리 영역에 할당 된다.

참조

Value type vs Reference type in Swift
Medium - Swift의 Type과 메모리 저장 공간
Medium - Swift의 메모리 관리(Heap, Stack, ARC)
Value Types and Reference Types in Swift