Dynamic Dispatch를 알면 코드가 빨라진다

Swift의 성능을 높이려면 어떻게 해야할까?

이 질문에 빠지지 않고 나오는 키워드가 있다.
Dynamic Dispatch와 Static Dispatch다.

오늘은 이 Dispatch에 대해 정리해보려 한다.

메시지와 메서드: 다형성

객체 지향 프로그래밍의 핵심 중 하나는 특정한 객체에게 '메시지'를 보내도,
실제 그 메시지를 처리하는 객체, 메서드는 달라질 수 있다는 점이다.

덕분에 우리는 메시지를 보내는 객체의 코드를 전혀 바꾸지 않고도,
실제 동작 (메서드)를 런타임 시점에 바꿀 수 있다.

다시 말해, 같은 인터페이스에 대해서 다른 함수가 실행되도록 만들 수 있다.
코드 설계를 훨씬 유연하게 만들어준다.

이걸 '다형성'이라고 하고, 객체 지향 프로그래밍의 가장 슈퍼 파워 중 하나다.

그런데 아까 말한 내용을 다시 한번 보자.

하나의 '메시지'에 대해서 실행되는 '메서드'가 '그때그때' 다르다.

다른 말로 하면, 컴파일러가 코드를 해석할 때
어떤 인터페이스에 대해 보낸 메시지에 대해 정확히 어떤 메서드를 실행해야 할지 '그때그때' 찾아내야 한다는 말이 된다. ('그때그때'란 해당 코드가 실행되는 런타임 시점이다.)

예를 들어 Human이라는 클래스가 있고 안에는 sayHello라는 메서드가 있다.
그리고 Human을 상속한 여러 클래스 (Student, Employee) 등이 있다.

그렇다면 이 코드(메시지)는 어떤 메서드를 실행해야 할까?

eddy.sayHello()

정답은 '그때 그때 다르다'.

코드의 실행 맥락에 따라서 eddy라는 인스턴스는
human일 수도 있고,
student일 수도 있고,
Employee일 수도 있다.

그러니 sayHello()라는 메시지에 대해
어떤 클래스에 선언된 메서드가 실행될지는 저 코드만 봐서는 알 수가 없다.

Dynamic Dispatch가 필요한 이유

Dispatch 얘기를 하기로 했는데 갑자기 메시지, 메서드로 시작하는 걸까?
'메시지와 메서드의 분리'를 구현하려면 Dynamic dispatch가 반드시 필요하기 때문이다.

여기서 잠깐 퀴즈,

Dispatch는 무슨 뜻일까?

(물론 이게 가장 유명한 디스패치지만...;;)

영어로 Dispatch는 '보내다' 정도로 해석할 수 있다.
좀 더 정확하게는 (사람을) '파견하다', (물건을) '발송하다' 같은 느낌.

언론에서 dispatch라고 하면 (특파원을) '특파하다'라는 뜻이다.

그래서 디스패치가 디스패치다. (연예인 집 앞으로 특파한다는 뜻)

프로그래밍에서의 Dispatch도 비슷한 맥락으로 해석할 수 있다.

어떤 객체가 다른 객체에게 메시지를 전송(ex) Object.method() )했을 때,
그때 그때 상황에 맞게 (Dynamic)
그 메시지에 맞는 메서드를 '보내준다'(Dispatch)는 뜻이다.

즉, Dynamic dispatch는 다형성을 구현하기 위한 핵심 기능이다.
대부분의 객체 지향 언어에서 dynamic dispatch 메커니즘을 갖고 있다.

Static dispatch

Static dispatch는 쉽게 말해,
Dynamic dispatch가 아닌 메서드 호출을 말한다.

우리가 별도로 다형성을 구현하지 않고,
.을 찍어서 프로퍼티, 메서드를 호출하면 Static dispatch다.

하나의 코드에 대해 항상 정해진 함수가 실행된다.

유연성이냐 성능이냐, 그것이 문제로다

Swift의 성능을 말할 때 Dynamic dispatch는 자주 등장하는 키워드다.

왜냐하면 Dynamic dispatch는 OOP의 핵심인 다형성을 만들어주지만,
굳이 다형성을 쓸 필요가 없을 때는 성능의 저하를 가져오기 때문이다.

코드를 실행하는 와중에 어떤 함수 호출을 보면 바로 그 함수로 점프하는 게 아니라,
정확히 어떤 함수로 가야할지 알아보고 점프를 해야한다. 성능에서 손해를 보게 된다.

예전에 다형성을 다용도 드라이버에 비유한 적이 있다.

다용도 드라이버는 일반 드라이버에 비해 훨씬 유연하다.
드라이버 손잡이에 다양한 드라이버를 끼워서 그때그때 필요한 용도로 쓸 수 있다.

하지만 최대한 빨리 나사를 돌려야 한다면?

당연히 일반 드라이버가 더 낫다.

다용도 드라이버로 필요한 드라이버 찾아서 손잡이에 끼울 시간에,
일반 드라이버는 그냥 바로 사용하면 되니까.

Dynamic dispatch와 Static dispatch도 어느 한쪽이 우월한 것은 아니다.
다용도인 대신 약간 느린 드라이버와 빠르지만 기능은 하나인 드라이버의 차이일 뿐.

다만 둘의 차이를 알고 상황에 따라서 잘 사용하면 되는 것!

사실 개발자로서 알아야 하는 더 실제적인 지식은,

우리가 쓰는 코드의 어느 부분이 Dynamic dispatch가 되고,
어느 부분이 Static dispatch가 되는지 알아두는 것이다.

Dynamic dispatch인 경우

Swift 컴파일러는
메시지와 메서드가 다를 가능성이 있으면 Dynamic dispatch를 한고,
그럴 가능성이 없으면 Static dispatch를 한다.

Swift에서 다형성을 구현할 수 있는 방법은 protocol, class 2가지다.
기본적으로 이 2가지 경우에 Dynamic dispatch를 하게 된다.

1. Protocol의 메서드/프로퍼티 사용

protocol을 사용하면 기본적으로 Dynamic dispatch를 실행한다.

Swift는 Protocol을 사용해 타입을 특정한 인터페이스로 묶어준다.
메시지를 보낼 때 해당 Protocol에 대해서 코드를 작성할 수 있다.

// 프로토콜 정의
protocol canFly {
	func fly()
}

// 프로토콜을 따르는 타입 정의
struct Bird(): canFly {
	func fly() { print("Bird is flying!") }
}
struct Dragon(): canFly {
	func fly() { print("Dragon is flying!") }
}

func makeFly(canFly: canFly) {
	canFly.fly()
}

func makeFly(Bird()) // "bird is flying!"
func makeFly(Dragon()) // "Dragon is flying!"

이렇게 프로토콜을 사용해서 메서드나 프로퍼티를 호출하는 경우,

Swift 컴파일러는 canFly 타입이
실제로 Bird인지 Dragon인지 찾기 위해서 Dynamic dispatch를 사용한다.

2. Class의 메서드/프로퍼티 사용

Class를 쓰면 기본적으로 Dynamic dispatch를 실행한다.
하위 클래스가 상속을 받거나 메서드를 오버라이딩했을 가능성이 있기 때문이다.

상위 클래스의 메서드/프로퍼티를 가리키는 건지,
하위 클래스의 메서드/프로퍼티를 가리키는 건지 알아내야 한다.

Static dispatch인 경우

1. Value type (struct, enum)의 메서드/프로퍼티 사용

struct, enum 으로 선언했을 때는 static dispatch를 실행한다.
value type인 경우 기본적으로 static dispatch다.

왜냐? value type 인스턴스는 protocol, class와 다르게
메시지를 다른 객체에게 위임할 수 없기 때문이다.

즉, 메시지와 메서드가 다를 가능성이 없기 때문에 static dispatch로 처리한다.

2. Extension을 사용해 추가한 메서드 사용

Swift는 모든 타입에 Extension을 붙일 수 있다.

하지만 extension으로 새로운 기능을 추가할 수는 있지만,
그 안에서 이미 있는 메서드를 상속(override)를 할 수는 없다.

즉, 메시지-메서드가 다를 수 없다. (다형성을 사용할 수 없다.)

그래서 Protocol/Class에 extension을 붙여서 추가한 메서드는 Static dispatch로 실행한다.

[Quiz] 다음 코드에서 isCute()와 canGetAngry() 중
Static dispatch로 실행되는 메서드는 무엇일까?

protocol Animal {
    func isCute() -> Bool { } 
}
extension Animal {
    func canGetAngry() -> Bool { } 
}

예외 상황

위에서 말한 내용을 다시 한번 정리해보자.

Protocol, Class의 메서드/프로퍼티 사용 -> Dynamic dispatch
Struct, Enum, Extension의 메서드/프로퍼티 사용 -> Static dispatch

이게 기본 원칙이다.

하지만 원칙이 있으면 항상 예외도 있는 법!

우리는 그렇지 않은 예외도 잘 알고 활용해야 한다.

1. Class에 Final, Private, Static 키워드를 사용

final

Swift에서는 class 선언부나, 메서드/프로퍼티 선언부에 final 키워드를 붙일 수 있다.
final 키워드를 붙이면 상속/오버라이드를 할 수 없다.

그렇다는 말은?

해당 클래스나 메서드에 대해 메시지를 보낼 때 다형성을 사용할 수 없다.
메시지-메서드가 달라질 가능성이 없는 것이다.

따라서 Class를 쓸 때는 기본적으로 Dynamic dispatch를 실행하지만,

final 키워드가 붙은 클래스의 메서드/프로퍼티일 때는,
컴파일러가 자동으로 Static dispatch를 쓴다.

다형성을 활용하지 않을 거라면, final을 써서 성능을 높이자!

Private

private 키워드가 붙으면, 메서드/프로퍼티는 선언부 내에서만 사용할 수 있다.

따라서 Class 선언하는 블록/파일 내에 오버라이딩이 없다면,
컴파일러가 알아서 final 키워드를 추론해서 붙여준다.

Static dispatch가 되면서 성능이 좋아진다.

Static

이건 너무 당연한 말이지만, static 키워드를 붙인 프로퍼티/메서드는 아예 인스턴스에서는 사용할 수 없다.

따라서 메시지-메서드가 달라질 가능성이 없고, static dispatch를 쓴다.

static이니까 당연히 static diaptch겠지? 하면 된다.

작성중...

2. Protocol + Extension을 사용해 구현을 추가

3. 전체 모듈 최적화 (Whole Module Optimization)을 사용

4. Class에 @objc, dynamic 키워드 사용

Table dispatch와 Message dispatch

요약 정리