Swift 문서에는 오랜만이네요. 최근 파이썬만 다루다보니 Swift 쪽 밀린 공부가 산더미에요.

오늘은 ARC에 대해 알아볼겁니다. 이야기는 계속 들어왔고 참고하는 코드들에서도 매우 자주 보였는데 이번에 제대로 알아보고 가봐야겠습니다.

ARC (Automatic Reference Counting)

이름에서 알 수 있듯이 ARC는 참조와 관련된 기능입니다. 그리고 보기만해도 기분이 좋아지는 Automatic한 기능입니다.

한 마디로 쉽게 넘기면 ARC는

자동으로 메모리를 관리해주는 아주 간편한 기능입니다.

여기서 조금 더 들어가면 ARC는,

컴파일 타임에 자동으로 retain, release 코드를 생성해주는 기능입니다. retain한 횟수를 추적하며 더 이상 참조되지 않는 인스턴스를 release해주는 것 이라고 설명할 수 있습니다.

모든 기기의 메모리(Heap) 영역은 유한된 자원입니다. 따라서 언제나 최적화가 필요하고, 가볍게 유지할 필요가 있죠!

Swift가 공개되기 이전 Obj-C 언어로 iOS 앱을 개발했던 시절에는 이 메모리 관리를 개발자가 직접 수동으로 해주어야 했다고 합니다. 이때의 메모리 관리 방식을 MRC(Manual Reference Counting)이라고 부릅니다.

• retain: reference count를 증가시켜 객체가 유지되도록 보장
• release: reference count를 감소시켜 더 이상 사용되지 않는 객체가 메모리에 유지되는 것을 방지

이 두 기능을 계속해서 반복해서 사용하며 메모리를 관리해주어야 했던 것이죠. 정말이지 너무 번거롭지 않나요..? 그래서 애플은 개발자들의 편의성을 위해 ARC를 등장시키게 된 것 입니다.

ARC는 컴파일 타임에 수행됩니다. 그런데 수행되는 방식이 각각의 코드 중간중간에 자동으로 retain 코드와 release 코드를 삽입시키는 방식입니다.

컴파일 타임에는 단순히 코드를 삽입만 해주고, 런타임동안 코드가 실행되며 reference count를 증감시킵니다. 그러다가 count 값이 0이 되면 deinit을 통해 메모리에서 해제시키는 것이죠!

자 그런데, 자동으로 관리를 해주는 것이 아무리 편하더라도 개발자가 어느정도 메모리에 관여를 하고 싶을 때가 있겠죠? 그런 경우를 위해서 strong, weak, unowned가 존재하는 것 입니다.

strong (강한 참조)

• 선언할 때 아무 키워드도 적어주지 않으면 기본값(default)으로 설정
• 해당 인스턴스의 소유권을 가짐
• 참조하는 인스턴스의 reference count 증가
• strong reference count가 0이 되면 객체는 deinit
• 값 지정 시점에 retain, 참조 종료 시점에 release

var david: Person? = Person(name: "David")
// reference count ++

david = nil // reference count --

강한 참조를 사용할 때는 주의할 점이 하나 있습니다. 바로 강한 참조 순환(Strong Reference Cycle) 입니다.

class Strong {
  var strong: Strong? = nil
}

var strong1: Strong? = Strong()
var strong2: Strong? = Strong()

strong1?.strong = strong2
strong2?.strong = strong1

strong1 = nil
strong2 = nil

위 예시를 보면 strong1과 strong2는 서로의 strong을 참조하고 있습니다. 이 때, strong은 강한 참조 객체라서 nil을 주기 전까진 해제되지 못합니다. 그런데 마지막 strong1과 strong2에 nil 값을 주려 할 때, 서로가 서로를 강하게 참조하고 있어 각각의 객체 변수는 메모리 해제가 되었지만, 객체 자체는 여전히 서로를 참조하며 메모리 해제가 되지 못합니다. 이렇게 되면 객체 변수는 이미 해제가 되어 객체에 접근할 방법도 없고, 객체를 메모리에서 해제할 방법도 없어지게 됩니다. 영원히 메모리에 머물러 메모리 누수가 발생하게 되는 것이죠.

이런 현상을 해결하기 위해 weak (약한 참조)가 필요합니다.

weak (약한 참조)

• 해당 인스턴스의 소유권을 가지지 않음
• 주소값만 가짐으로서 포인터처럼 사용
• reference count를 증가시키지 않음
• weak reference count가 0이 되면 dead
• 메모리 해제될 때 자동으로 nil로 초기화
• 해당 인스턴스가 nil 일 수 있기 때문에 항상 optional이어야 함

weak var david: Person? = Person(named: "David")
// 바로 객체 해제, nil

그렇다면 weak는 어떻게 참조 순환을 해결할까요?

class Strong {
  weak var strong: Strong? = nil
}

var strong1: Strong? = Strong()
var strong2: Strong? = Strong()

strong1?.strong = strong2
strong2?.strong = strong1

strong1 = nil
strong2 = nil

위와 같은 예시이지만 각각의 객체 변수가 weak(약한 참조)이기 때문에 ARC가 메모리에서 해제될 때 자동으로 객체까지 메모리에서 해제시켜 줍니다.

참조 순환 문제가 해결되었네요!

unowned (미소유 참조)

• 해당 인스턴스의 소유권을 가지지 않음
• unowned reference count가 0이 되면 free
• 해당 인스턴스를 nil로 초기화하지 않음

그래서 셋의 차이는?

• strong
  • 메모리에서 해제되는 것을 막기 위해 사용
  • Reference Count 1 증가
• weak
  • 순환 참조의 가능성이 있을 경우 사용
  • 항상 var
  • Reference Count 변동 X

• unowned

사이드 테이블 (Side Table Entry)

설명의 순서는 강한 참조 순환 때문에 strong ➡️ weak ➡️ unowned의 순서로 했지만 개념을 자세히 살펴보면 strong ➡️ unowned ➡️ weak의 순서로 보는 것이 맞습니다.

강한 참조 변수와 미소유 참조 변수는 객체를 직접 참조하지만, 약한 참조 변수는 객체의 사이드 테이블을 참조하기 때문입니다.

내부적으로 객체가 생성되면 weak, unowned, strong의 종류에 따라 따로 reference count를 세는 것이 아니라 모든 종류의 reference count를 전부 셉니다.

순차적으로 살펴보면, strong reference count가 0이 되면 객체는 deinit 되지만 메모리에는 남아 있습니다.

이후 unowned reference count를 체크하여 0이 아니라면 DEINITED 상태로 메모리에 쭈욱 남아있고, 0이라면 free 됩니다.

그 이후에는 weak reference count를 체크하여 0이 아니라면 FREED 상태가 되어 사이드 테이블이 메모리에 남아있고, 0이 되었을때야 모든 reference count가 0이 되어 사이드 테이블이 메모리에서 해제되며 객체가 DEAD 상태가 됩니다.

위 State Machine 그래프로 한눈에 알아보기 쉽게 정리해볼 수 있습니다.