[Swift] Struct와 Class의 차이점

 

✅ Struct  Class 비교

iOS개발자로 면접을 준비하다보면 Struct와 Class의 차이점이라는 질문을 자주 접하게 된다고 한다. 그래서 포스팅을 해보고자 한다. 먼저 간단하게 차이점을 보자면, "Struct는 값타입, Class는 참조타입" 정도이다. 이 질문을 통해 ARC를 통한 메모리 관리, 참조타입과 값 타입의 차이점 등을 함께 답할 수 있을것 같다.

 

사실 Struct와 Class의 '차이점'만 생각한다면 문법에 있는 내용을 곧이곧대로 외우고 공부해도 될 것이다. 

하지만 이 질문이 면접에서 자주 나온다는것에 대해서 생각해본다면, iOS개발자에게 어떤 의미를 갖는 질문인지 조금 더 생각해볼 필요가 있다. 결국 "개발자가 가장 중요하게 고려해야 할 것 중 하나는 성능이고, Struct와 Class의 차이점을 이해한다면 성능개선에도 도움이 될 것이다" 라는 것이다.

 

즉, 면접에서 'Class와 Struct의 차이점은 무엇인가요?'라고 질문이 들어오는 것은 단순히 기본적인 내용에서 머무는게 아니라, 조금 더 깊게 공부하고 이해하고 있는지, 결국 그렇게 이해한 것을 통해 성능을 개선할 수 있는지 판단하기 위해서가 아닐까한다.

 

우선 공식적인 Struct와 Class의 공통점과 차이점에 대해서 알아보자.

 

✅ Class & Struct 공통점

• 값을 저장할 프로퍼티를 선언할 수 있다.
• 함수적 기능을 하는 메서드를 선언할 수 있다.
• 생성자를 사용해 초기 상태를 설정할 수 있다.
• 내부 값에 .를 사용하여 접근할 수 있다.
• extension을 사용하여 기능을 확장할 수 있다.
• Protocol을 채택하여 기능을 설정할 수 있다.

 

✅  Class & Struct 차이점

Struct

• 값 타입이다.
• 구조체 변수를 새로운 변수에 할당할 때마다 새로운 구조체가 할당된다.
• 즉 같은 구조체를 여러 개의 변수에 할당한 뒤 값을 변경시키더라도 다른 변수에 영향을 주지 않는다 ( 값 자체를 복사 )

 

Class

• 참조타입이다.
• ARC로 메모리를 관리한다.
• 같은 클래스 인스턴스를 여러 개의 변수에 할당한 뒤 값을 변경시키면 할당한 모든 변수에 영향을 준다 ( 메모리만 복사 )
• 상속이 가능하다.
• 타입 캐스팅을 통해 런타임에서 클래스 인스턴스의 타입을 확인할 수 있다.
• deinit을 사용하여 클래스 인스턴스의 메모리 할당을 해제할 수 있다.

 

참조타입과 값타입의 차이 비교코드

class SimpleClass { 
	var count: Int = 0
    
    deinit {
    	print("할당 해제")
    }
}

struct SimpleStruct {
	var count: Int = 0
}

var class1 = SimpleClass()
var class2 = class1
var class3 = class2

class3.count = 3

print(class1.count) // class3의 값을 변경했지만 참조 타입이므로 class1도 변경됨

var struct1 = SimpleStruct()
var struct2 = struct1
var struct3 = struct2

struct2.count = 2
struct3.count = 3 

print(struct1.count) // 0
print(struct2.count) // 2 <- 구조체는 값 타입이므로 항상 새로운 메모리가 할당된다.
print(struct3.count( // 3

이처럼 클래스는 참조 타입이라 같은 클래스 객체를 할당한 변수의 값을 변경시키면 참조된 객체의 값이 변경되고, 구조체는 값 타입이기 때문에 같은 구조체 객체를 할당하더라도 매번 새로운 메모리가 할당되어 값을 변경하더라도 다른 구조체 변수에 영향을 주지 않는 것을 볼 수 있다.

 

 

✅ Class와 ARC, Retain Cycle

간단하게 Swift에서 참조 타입의 메모리 관리를 위한 ARC로 간단하게 코드로 확인해보자.

 

// ARC
print("ARC\n")
var calssARC1 : SimpleClass? = SimpleClass()
print(CFGetRetinCount(classARC1)) // 변수에 할당한 객체의 경우 2가 기본값

var classARC2 : classARC1
print(CFGetRetainCount(classARC1)) // 참조 카운트가 1증가한 3이 된다.

classARC1 = nil
print(CFGetRetinCount(classARC2)) // 참조 카운트가 1감소하여 2가 된다.
classARC2 = nil // 참조 카운트가 1 감소하여 더 이상 참조하는 곳이 없으므로 deinit 실행

위와 같이 클래스 인스턴스를 여러곳에서 참조하게 되면, 원래 인스턴스를 해제하더라도 참조 카운트가 남아있어 deinit이 실행되지 않는다. 참조되는 모든 값들을 해제해줘야 비로소 deinit이 실행되는 것을 볼 수 있다.

 

이러한 특징때문에 RetainCycle이 발생하기도 한다. 해당 코드도 보고 가겠다.

 

 

// retain cycle
class StrongRefClassA {
	var classB : StrongRefClassB?
    deinit {
    	print("ClassA 할당 해제")
    }
}

class StrongRefClassB {
	var classA : StrongRefClassA?
    deinit {
    	print("ClassB 할당 해제")
    }
}

var classA: StrongRefClassA? = StrongRefClassA()
var classB: StrongRefClassB? = StrongRefClassB()

print(CFGetRetainCount(classA)) // reference count = 2 (기본값)
print(CFGetRetainCount(classB)) // reference count = 2 (기본값)

classA?.classB = classB
classB?.classA = classA

print(CFGetRetainCount(classA)) // reference count = 3
print(CFGetRetainCount(classB)) // reference coutn = 3

classA = nil
print(CFGetRetainCount(classB?.classA)) // reference count = 2 (기본값)
classB = nil // <- 더 이상 classA, classB의 데이터에 접근 할 수 없지만 deinit 실행되지 않았음 -> 메모리 누수 발생

 

위와 같이 더 이상 classA, classB에 접근할 방법이 없는데도 불구하고 참조 카운트가 0이 되지 않아 deinit이 실행되지 않았다. 이렇게 되면 메무리 누수가 발생하게 된다. 이는 weak, unowned 참조를 사용하면 해결할 수 있는데, 여기서는 간단하게 코드로만 보고 넘어가게보겠다. ARC에 대한 자세한 내용은 따로 정리하겠다.

 

class StrongRefClassA {
	weak var classB: StrongRefClassB?
    deinit {
    	print("ClassA 할당 해제")
    }
}

class StrongRefClassB {
	weak var calssA: StrongRefClassA?
    deinit {
    	print("classB 할당 해제")
    }
}

var classA: StrongRefClassA? = StrongRefClassA()
var classB: StrongRefClassB? = StrongRefClassB()

print(CFGetRetainCount(classA)) // refrence count = 2 ( 기본값 )
print(CFGetRetainCount(classB)) // refrence count = 2 ( 기본값 )

classA?.classB = classB
classB?.calssA = classA

print(CFGetRetainCount(classA)) // refrence count = 2 ( 기본값 )
print(CFGetRetainCount(classB)) // refrence count = 2 ( 기본값 ) -> 약한 참조를 사용했기 때문에 참조카운트 증가

classA = nil // deinit 실행됨
classB = nil // deinit 실행됨 -> 인스턴스가 모두 메모리 해제됨 -> 메모리 누수 발생하지 않음

이렇게 weak참조를 사용하면 retain cycle을 방지 할 수 있다.

 

여기까지가 스위프트 공식 문서에서 언급되는 내용이다. 하지만 이러한 특징들 때문에 구조체와 클래스는 메모리에 저장되는 위치가 다른데, 구조체는 언제 생기고, 사라질지 컴파일 단계에서 알 수 있기 때문에 메모리 Stack 공간에 할당되고, 클래스는 참조가 어디서 어떻게 될지 모르기 때문에 Heap이라는 공간에 할당하게 된다. 

 

그럼 두 할당의 차이를 살펴보도록 하겠다. 

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✅ 할당의 차이

Stack 할당

스택은 LIFO( Last In First Out ) 형태의 자료구조로 가장 마지막에 들어간 객체가 가장 먼저 나오는 자료구조이다. 자료구조 특성상 하나의 명령어로 메모리를 할당, 해제 할 수 있다. 또한 컴파일 단계에서 언제 생성되고 해제되는지 알 수 있는 구조체와 같은 값들이 스택에 저장되게 된다. 

 

스레드들은 각각 독립적인 스택공간을 가지고 있기 때문에 상호 배제를 위한 자원이 필요하지 않는다. 즉 스레드로부터 안전하다는 말이 된다. 이러한 특징 때문에 스택의 값을 사용하는 것이 Heap의 값을 사용하는 것보다 빠르다고 할 수 있다. 

 

Heap 할당

Heap에는 컴파일 단계에서 생성과 해제를 알 수 없는 참조 타입의 객체가 할당된다. 즉 스위프트에서는 클래스 객체가 힙에 할당 되게 된다. Heap은 Stack보다 관리가 어렵다. 이는 메모리 할당과 해제가 하나의 명령어로 처리되지 않기 때문이다. 아까 Stack에서는 pop, push라는 하나의 명령어로 할당, 해제가 이루어졌지만 Heap은 참조 계산도 해줘야 하므로 Stack보다 복잡하다.

 

또한 Heap은 스레드가 공유하는 메모리 공간이기 때문에 스레드로부터 안전하지 않다. 이를 관리해주기 위한 Lock과 같은 자원도 필요하게 되고 이는 곧 오버헤드로 이어지게 된다.

 

이렇게 Stack, Heap 할당의 차이점과 Swift의 Class, Struct 값들이 어디에 저장되는지 알게되었다.

 

근데 코딩을 하다보면 클래스와 구조체를 혼합해서 쓰는 경우가 있다. 예를들어 클래스안에 구조체 필드가 있다거나, 구조체 안에 클래스 필드가 있다거나 하는 경우가 있다.

 

이를 나누게 되면 결국 2가지 경우로 나누어 볼 수 있다.

• 값 타입을 포함하는 참조 타입
  • 간단하게 Class안에 Struct 프로퍼티가 존재하는 경우이다.
  • 이 경우 참조 타입이 할당 해제되기 전에 값 타입도 할당 해제되지 않게 하기 위해서 값 타입도 힙에 저장한다.
  • 위의 경우 말고도 Swift에서는 클로저 내부에서 사용하는 값 타입도 위의 경우에 해당한다. 
• 참조 타입을 포함하는 값 타입
  • Struct안에 Class 프로퍼티가 존재하는 경우이다 .
  • 이 경우 값 타입은 힙에 할당되지 않지만 내부에 참조 타입이 있기 때문에 참조 카운트를 처리해줘야 한다.

 

✅ 값 타입의 Copy-on-assignment, Copy-on-write

값 타입을 다른 변수에 할당하면 복사를 하게 된다. 즉, 새로운 메모리 공간에 같은 값을 복사하게 되는데 이를 Copy-on-assignment라고 한다.

 

이와 다르게 Copy-on-wirte는 다른 변수에 할당하면 일단은 메모리를 할당하지 않고 같은 곳을 본다. 그러다 해당 값을 변경할 때 실제로메모리에 값을 복사하고 값을 변경하게 된다. 이는 메모리를 최적화해주기 위함히며 Swift에서는 Int, Double, String, Array, Set, Dictionary에서만 사용하고 있다. 참조 타입을 포함하고 있는 값 타입은 이러한 메모리 최적화를 할 수 없다. 물론 억지로 만들 순 있지만 이는 많은 오버헤드를 발생시킨다.

 

그래서 언제 Struct를 쓰고, 언제 Class는 쓰는것이 좋을까 ?

• 단순한 데이터 값을 보유하고 위해서는 구조체가 낫다.
• 메모리의 스택은 크기가 크지 않기 때문에 작은 값을 갖는 데이터를 처리할 때 구조체를 사용한다.
• Objective-C와 상호 운용성을 원할 때는 클래스를 사용한다.

🔗  서버에서 JSON 정보같은 것을 가져올때 구조체 ( Struct ) 를 쓴다. 

Why ? Struct는 어디에 사용해도 값을 복사하기 때문에 안전하다.

이것을 여러번 만들어도, 최초 원본이 바뀌어도 복사본들이 바뀌지 않기 때문이다.

 

그 외의 함수나 기능들의 집합 혹은 상속이 필요한 경우 클래스 ( Class ) 를 사용한다.

 

 

 

 

이렇게 Swift의 구조체와 클래스에 대해서 알아보았다.