[Swift] ARC

강한 참조는 무엇이고 왜 필요한가요?

강한 참조는 참조 타입 인스턴스의 참조 계수를 증가시키면서 참조하는 방식입니다. Swift는 ARC라는 메모리 관리 방식을 사용하는데, 이는 참조 계수가 0이 되는 인스턴스는 메모리에서 해제하게 됩니다. 강한 참조가 존재해야 참조 계수가 0이 되지 않아 메모리에서 해제되지 않고 유지시킬 수 있습니다.

 

strong, weak, unowned reference는 각각 언제 사용할까요?

강한 참조는 참조 계수를 1 증가시켜 참조하고 있는 인스턴스를 메모리에서 유지시킬 필요가 있을 경우 사용합니다.

 

약한 참조는 강한 참조를 할 경우 발생할 수 있는 강한 순환 참조를 방지하기 위해 사용됩니다. 강한 참조와 달리 참조 계수를 증가시키지 않고 인스턴스를 참조합니다. 참조하고 있는 인스턴스가 메모리에서 해제되면 nil로 바뀌기 때문에 런타임 에러 없이 안전하게 접근할 수 있습니다. 

 

미소유 참조는 약한 참조와 같이 강한 순환 참조를 방지하기 위해 사용되는데, 약한 참조와 달리 참조당하는 객체가 해제되어도 nil로 바뀌지 않기 때문에 참조당하는 객체가 항상 참조 주기 동안 존재할 것이라는 명시적으로 나타내고 싶을 때 혹은 옵셔널 관련 코드를 작성하고 싶지 않을 때 사용됩니다. 또한, 약한 참조의 경우 참조당하는 객체가 해제될 때 nil로 바꾸는 동작에 대한 오버헤드가 존재하기 때문에 이러한 오버헤드를 발생시키고 싶지 않을 때 사용될 수 있습니다.

 

 

📌 weak과 unowned 참조의 오해

 

흔히 weak과 unowned 참조는 참조 계수를 증가시키지 않는 참조 방식이라고 설명됩니다. 정확하게 말하자면, 강한 참조 계수를 증가시키지 않는 참조 방식입니다. 왜냐하면 weak과 unowned에 대한 참조 계수가 존재하기 때문입니다.

 

Strong RC
이 카운트가 0이 되면 인스턴스가 Deinitialized 됩니다. 이 카운트가 0이 될 때, unowned 참조에 접근하면 런타임 에러, weak 참조는 nil로 바뀝니다.

Unowned RC
인스턴스가 Deinitialized 되면 해당 카운트는 감소합니다. 해당 카운트가 0이 되면 그제야 메모리에서 해제(Deallocated)됩니다. 이때, weak RC가 0이 아니면 Side Table은 남아있습니다.

Weak RC
인스턴스가 메모리에서 해제되면 카운트가 감소합니다. 해당 카운트가 0이 되면 인스턴스의 Side Table 또한 해제됩니다.

 

 

📌 Side Table

 

Swift 4 이전에는 strong, unowned, weak RC 값은 인스턴스 자체에 저장되어 관리되었습니다.

 

https://maximeremenko.com/swift-arc-weak-references

 

이러한 방식은 strong RC 값이 0이 되어도 weak RC 값이 0 이상이라면 deinitialized는 되지만 deallocated는 되지 못합니다. 따라서, 좀비 오브젝트를 발생시키는 문제점이 발생하였습니다.

(weak RC 값이 0 이상일 때 메모리에서 해제되지는 않는 이유는 공식적이거나 정확한 이유에 대한 글을 아직 찾지 못했지만, weak 참조 인스턴스를 nil로 변환시켜 주는 작업과 관련이 있는 것으로 유추해 볼 수 있을 것 같습니다..!)

 

Swift 4 이후에는 이전의 좀비 오브젝트 관련 이슈를 해결하고자 Side Table이라는 별도의 관리 개체가 등장하였습니다.

https://maximeremenko.com/swift-arc-weak-references

 

Side Table이 생성되는 시점은 다음과 같습니다.

 

• weak 참조를 사용할 때
• strong, unowned 참조 카운트가 너무 커 오버플로우 되는 경우 

 

위 그림에서 Side Table에 대해 총 2가지를 확인해볼 수 있습니다.

 

첫 번째로, Side Table에 weak RC 값과 더불어 다른 참조 카운트들도 저장되어있습니다. Side Table이 저장되기 전, 즉 weak 참조가 사용되기 전에는 Side Table이 생성되기 전이므로 인스턴스 자체에도 strong, unowned RC 값에 대한 공간이 있는 것 같은데 Side Table에도 있는 이유에 대해 정확한 설명은 찾을 수 없었지만, 두 번째 이유와 관련이 있는 것으로 판단됩니다.

 

사실상 두 번째 이유가 가장 주목해야 하는 부분일 것 같습니다. 그림의 화살표를 잘 보면 strong과 unowned 참조는 인스턴스 자체를 가리키지만, weak 참조는 Side Table을 가리키고 있습니다. 이를 통해, weak 참조가 사용될 경우에는 인스턴스에 대한 직접적인 참조가 아닌 Side Table을 통한 간접적인 참조가 이뤄지고 있다는 것을 알 수 있습니다.

이를 통해, Side Table에 weak RC 값 외에 다른 참조 카운트가 존재하는 이유가 weak 참조 시 인스턴스 자체가 아닌 Side Table을 참조하기 때문에 다른 RC 값을 캐싱해둔 것 아닐까라고 조심스럽게 유추해봅니다...!

 

이렇게 weak 참조 관리를 인스턴스 자체가 아닌 Side Table에서 관리하게 됨으로써 weak RC 값에 구애받지 않고 strong RC가 0이 되면 인스턴스를 정상적으로 메모리에서 해제시킬 수 있게 되었습니다. 

따라서, 우리는 weak 참조와 unowned 참조의 차이점에 대해 '인스턴스가 메모리에서 해제될 때의 nil 변환 유무' 뿐만 아니라 'Side Table의 생성 여부 및 메모리 레벨에서의 직/간접 참조 방식의 차이'도 얘기해 볼 수 있겠네요.

 

 

📌 Swift 참조 타입 인스턴스의 생명 주기

 

Swift의 참조 타입 인스턴스는 3가지 참조 방식에 대한 참조 카운트에 따라 각각의 다른 생명 주기를 가집니다.

 

• strong 참조 카운트만 존재하는 경우

https://medium.com/@gauravkeshre/swift-object-lifecycle-b39d232cb99b

 

• unowned 참조 카운트가 존재하는 경우

https://medium.com/@gauravkeshre/swift-object-lifecycle-b39d232cb99b

 

• 모든 참조 방식에 대한 참조 카운트를 가지는 경우

https://medium.com/@gauravkeshre/swift-object-lifecycle-b39d232cb99b

 

 

각각의 참조 카운트 유무에 따른 생명 주기의 상태 전이도를 나타내면 아래 그림과 같습니다.

https://shubhamchawla00.medium.com/memory-management-on-ios-ad2244b49b20

 

 

 

ARC와 GC는 어떤 차이점이 있나요?

 

ARC는 컴파일 타임에 참조 계수를 증감하는 코드를 추가하여 참조 계수가 0이 된 객체를 메모리에서 해제시킵니다.

 

GC는 런타임에 더 이상 필요하지 않은 객체를 감지하고 메모리에서 해제시킵니다. 조금 더 자세하게 말하면, GC는 힙 영역에 존재하는 인스턴스들을 그래프로 관리하는데 그래프의 루트로부터 도달할 수 있는 인스턴스들은 Mark 하고 Mark 되지 않는 인스턴스들은 Garbage로 판단해 메모리에서 해제시킵니다.

 

https://inpa.tistory.com/entry/JAVA- ☕-가비지-컬렉션GC-동작-원리-알고리즘-💯-총정리

 

 

ARC는 참조 계수가 0이 되는 즉시 메모리에서 해제시킨다는 장점이 있고, 강한 순환 참조가 발생할 경우 메모리 누수가 생긴다는 단점이 있습니다.

GC는 동작하는 동안에는 다른 동작들은 멈추기 때문에(Stop-the-World) 서비스 이용이 차질이 생길 수 있고, 이러한 해제 과정이 언제 동작하는지 정확하게 알 수 없어 제어하기 힘들다는 단점이 있지만, 순환 참조가 발생하여도 메모리 누수가 생기지 않는다는 장점이 있습니다.

 

 

ARC가 메모리 해제를 할 수 없는 상황이 무엇이고 GC는 해결할 수 있을까요?

ARC에서는 강한 순환 참조가 발생한 경우 메모리 해제를 할 수 없습니다. 서로 다른 클래스 인스턴스끼리 서로를 프로퍼티로 참조하는 경우, 클래스의 프로퍼티로 클로저를 참조하고 클로저 내부에서 self 프로퍼티를 참조하는 경우를 강한 순환 참조의 예로 들 수 있습니다.

 

📌 강한 순환 참조 코드 예시

class A {
	var b: B?
}

class B {
	var a: A?
}

var a: A? = A() // 외부 참조
var b: B? = B() // 외부 참조

a?.b = b // 내부 참조
b?.a = a // 내부 참조

a = nil // 외부 참조 사라짐
b = nil // 외부 참조 사라짐

// ----------------------------------

class C {
  var something = 1
  lazy var cls = {
    print(self.something)
  }
}

var c: C? = C()
c?.cls() // C의 인스턴스는 클로저를 클로저는 C의 인스턴스를 서로 참조

c = nil

 

GC는 위에서 설명하였듯 Mark and Sweep 방식으로 메모리 관리를 합니다.

강한 순환 참조는 위 코드에서 볼 수 있듯이 인스턴스들끼리 서로 내부적으로 참조하고 각 인스턴스의 외부 참조가 사라져 서로에 대한 내부 참조를 제거할 수 없기 때문에 발생합니다.

외부 참조가 사라졌다는 의미는 GC Root 자체가 사라졌다는 말과 동일하기 때문에 각각의 내부 참조 인스턴스들이 GC Root로부터 도달할 수 없는 인스턴스가 되어버려 메모리에서 해제됩니다.