[iOS] iOS의 운영체제, 스레드, 메모리 관리 (ARC, GCD 등)

Zerom·2024년 4월 9일

iOS swift 면접

iOS 질문 답변

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📚 질문

🧑‍💻 운영체제의 역할과 iOS에서의 운영체제 구조에 대해 설명해주세요.

운영체제는 자원관리, 자원보호, 하드웨어 / 소프트웨어 인터페이스를 제공하며 효율성, 안정성, 확장성, 편리성을 목표로 동작합니다.
iOS에서의 운영체제는 하위 계층부터 Core OS / Core Service / Media / Cocoa Touch / Application으로 구성되어 있으며, 하위 계층일수록 하드웨어에 가깝고 기본이 되는 층이며, 상위로 갈수록 사용자와 관련있는 계층입니다.

🧑‍💻 프로세스와 스레드의 차이점, iOS에서의 프로세스와 스레드 관리 방법에 대해 설명해주세요.

프로세스는 운영체제로부터 자원을 할당받는 작업의 단위이고 스레드는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위입니다.
즉, 프로세스는 실행파일이 메모리에 적재되어 CPU를 할당받아 실행되는 것이고, 스레드는 한 프로세스 내에서 실행되는 동작의 단위입니다.
프로세스는 메모리 공간에 code, data, heap, stack 영역이 있는데, 스레드는 프로세스내에서 stack 영역을 제외한 code, data, heap 영역을 공유합니다.
iOS에는 Main과 Global Thread가 있으며 애플에서 제공하는 API인 GCD, NSOperation을 활용해 Multi Threading을 관리합니다.

🧑‍💻 메모리 관리 기법 중 iOS에서 사용되는 방식과 그 특징에 대해 설명해주세요.

iOS에서는 Objective-C를 사용할 때에는 MRC를 사용했으며, 현재 Swift에서는 ARC를 활용해 메모리를 관리합니다.
ARC는 Automatic Reference Counting의 줄임말로 메모리의 참조 횟수를 계산하여 참조 횟수가 0이 되면 메모리에서 해제하는 방식을 통해 메모리 관리를 하며 메모리 중 Heap 영역을 관리합니다.

📚 참고

🍎 운영 체제의 역할과 목표

자원 관리 : 여러 응용 프로그램이 자원을 요청하면 적절한 순서로 배분하고 회수하여 자원을 효율적으로 관리 => 효율성
자원 보호 : CPU, 메모리 등에 대한 사용자와 응용 프로그램의 직접 접근 제한 => 안정성
하드웨어 인터페이스 제공 : 다양한 제조사, 각기 다른 구성으로 되어 있는 마우스, 키보드 등을 복잡한 과정없이 사용할 수 있도록 하드웨어 인터페이스를 제공. 일부 하드웨어는 직접 드라이버(하드웨이 인터페이스)를 설치해야함 => 확장성
소프트웨어 인터페이스 제공 : 사용자가 운영체제를 편리하게 사용하기 위해 제공되는 것으로, 대부분의 작업을 마우스로 수행하거나 스마트폰의 터치스크린 등을 통해 제공되는 기능 => 편리성

🍎 iOS 운영체제 구조

iOS는 Unix 기반의 맥 OS X를 기반으로 다윈 커널을 가지고 있는 모바일 OS
아래층부터 Core OS / Core Service / Media / Cocoa Touch / Application으로 이루어져 있으며 아래로 갈수록 가장 기본이 되는 층, 위로 갈수록 사용자와 관련이 있는 층
하위 계층은 iOS의 핵심 부분 또는 하드웨어에 가까움

Application

iOS의 가장 바깥 계층으로, Apple App, Third-Party App이 여기 속함
사용자와 가장 맞닿아 있는 계층

Cocoa Touch

화면의 그래픽 UI 및 터치의 기능을 제공함
UIKit, MapKit, MessageUI등이 여기에 속함
실제로 개발할 때 가장 많이 접하게 되는 계층

Media

그래픽이나 오디오, 비디오 등 멀티미디어 기능을 제공하는 계층
C와 Objective-C가 혼합되어 있는 형태
AVFoundation(미디어 재생관련), MediaPlayer(플레이어), Core Image(이미지 가공)등의 기능이 있음

Core Service

GPS 나침반, 가속도 센서, 자이로스코프 디바이스 등 하드웨어적 기능들이 속함
Core Os에서 제공하지 않는 기능들을 포함
내부 데이터 / 위치 / 센서 등의 기능을 제공
CoreMotion(기기 센서), Accounts(계정 관리), Core Foundation(데이터 관리)등의 기능을 제공

Core OS

하드웨어와 가장 가까이 있는 최하위 계층
시스템의 핵심 기능을 포함하는 기본적인 부분들을 관리

🍎 iOS Thread

iOS의 Main Thread

iOS에서 Main Thread는 오직 한개만 존재
Main Thread는 Interface Thread라고도 불리며, UI와 관련된 작업인 모두 Main Thread에서 동작해야됨
Main Thread는 MainQueue에서 실행되는데 Main Queue가 Serial Queue이기 때문에 한번에 한 개의 Task밖에 실행하지 못함
따라서 UI를 실행하는 데에 영향을 줄만한 코드들은 Global Thread로 실행시켜야됨

iOS의 Global Thread

Background Thread라고도 불리며, iOS에서의 Framework들은 모두 Background에서 구동됨
몸체는 Background에 있지만, 가끔 필요할 때 Main Thread에게 요청
예를 들어, 음악 재생에 필요한 Framework 작업들은 모두 Background에서 실행되고, 필요에 따라 음악 재생이 성공했음을 알리기 위해 Delegate, Completion Handler 등을 통해 Main Thread에게 알려 통제할 수 있음
자동으로 Background에서 실행되는 것 이외에도 코드 실행이 오래 걸리는 작업은 직접 Background Thread로 실행시켜야 함

NSOperation

Multi Threading을 위한 Objective-C 기반의 고수준 API
내부적으로는 C로 구현된 GCD를 고수준 언어로 Wrapping한 것
GCD보다 다소 무겁고 약간의 오버헤드를 발생시킴
다만 고수준 API인 만큼 GCD엔 없는 기능들을 사용할 수 있다는 장점이 있음
작업 취소, KVO, 작업 재사용 등 GCD에서 하려면 다소 귀찮은 작업들을 제공하기 때문에 편하다는 장점이 있음
NSOperation의 동작 방식은 작업 단위인 NSOperation을 NSOperationQueue에 추가하여 실행시키는 방법
NSOperationQueue는 Concurrent Queue로 동작

GCD

Multi Threading을 위한 C언어 기반의 저수준 API
C언어 기반이기 때문에 NSOperation보다 가볍고 성능면에서 좋다는 장점이 있음
Block(Closure)로 구현되어 있어 코드 가독성면에서 좋고 간단하게 사용 가능
Dispatch Queue라는 것을 사용해서 Multi Threading을 지원
Dispatch Queue는 2가지 Type이 존재
- Serial Queue : Task(작업)들을 순차적으로 처리하며, 한 번에 한 개의 Task 밖에 처리하지 못함
- Concurrent Queue : 동시에 여러 개의 Task들을 처리
Dispatch Queue는 App이 실행됨과 동시에 구조적으로 2가지 Queue가 자동 생성
Main Queue (Serial Queue)
- Main Thread에서 사용되며 UI 관련 작업은 이곳에서 처리되어야 함
- MainQueue에는 절대 Sync Task를 추가할 수 없음 (Main Thread가 Thread-Safe하지 않아서, 컴파일 시 문제 없지만 런타임 에러로 발생)

DispatchQueue.main.async { // 원하는 작업 }

Global Queue (Concurrent Queue)
- 편의상 사용할 수 있게 만들어 놓은 Concurrent Queue
- Qos(Quality of Service) 지원 (우선 순위)
- Qos를 잘 활용하면 에너지 효율성이 좋아진다고 함
- qos를 지정하지 않으면 .Default로 지정됨

DispatchQueue.global().sync { // 원하는 작업 }
DispatchQueue.global().async { // 원하는 작업 }
DispatchQueue.global(qos: .userInteractive).sync { // 원하는 작업 }

명칭	사용 용도	동작 시간
userInteractive	중요도가 높고 즉각적인 반응이 요구되는 작업일 때 사용 (UI업데이트, 이벤트 핸들링 등) Main Thread에서 실행되는 Qos	즉각적으로 실행
userInitiated	유저가 빠른 결과를 기대할 때 사용 저장된 파일을 열거나 할 때 사용	몇 초 이하나 거의 즉각적
default	작업을 분리하지 않을 때 사용되는 Qos로 기본값
utility	즉각적인 결과가 필요하지 않을 때 프로그레스 바가 등장하는 작업에 어울림 (네트워크, 다운로드, 계산, 데이터를 가져오기 등을 처리 등)	몇 초 ~ 몇 분
background	급히 필요하지 않은 작업일 때 사용자에겐 보이지 않는 처리 (ex. 백업) background로 줄 경우 iPhone 저전력 모드에선 실행되지 않는다	몇 분 ~ 몇 시간
unspecified	Qos 정보가 없음을 나타냄 시스템에게 Qos를 추론하라는 신호를 줌

Private Queue (사용자 지정 큐)
- 위 방법 외에도 직접 Queue를 만들어 사용할 수 있음

let myQueue = DispatchQueue.init(label: "myQueue", qos: .background, attributes: .concurrent)
myQueue.async { // 원하는 작업 }

🍎 iOS 메모리 관리

GC VS RC

	GC	RC
참조 계산 시점	Run Time 어플 실행 동안 주기적으로 참조를 추적하여 사용하지 않는 instance를 해제함	Complie Time 컴파일 시점에 언제 참조되고 해제되는지 결정되어 런타임 때 그대로 실행됨
장점	RC에 비해 인스턴스가 해제될 확률이 높음	개발자가 참조 해제 시점을 파악할 수 있음 RunTime 시점에 추가 리소스가 발생하지 않음
단점	개발자가 참조 해제 시점을 파악할 수 없음 RunTime 시점에 계속 추적하는 추가 리소스가 필요하여 성능저하가 발생할 수 있음	순환 참조가 발생될 시 영구적으로 메모리가 해제되지 않을 수 있음

ARC (Automatic Reference Counting)

메모리 영역 중 Heap 영역을 관리
클래스 인스턴스가 더 이상 필요하지 않을 때 메모리를 자동으로 해제
메모리의 참조 횟수(RC)를 계산하여, 참조 횟수가 0이 되면 더 이상 사용하지 않는 메모리라 생각해서 해제함
그렇기 때문에 모든 인스턴스는 자신의 RC 값을 가지고 있음
인스턴스의 주소값을 변수에 할당할 때 참조 횟수가 +1이 됨
- 인스턴스를 새로 생성할 때
- 기존 인스턴스를 다른 변수에 대입할 때
다음과 같은 경우에 참조 횟수가 -1이 됨
- 인스턴스를 가리키던 변수가 메모리에서 해제되었을 때
- nil이 지정되었을 때
- 변수에 다른 값을 대입했을 때
- 프로퍼티의 경우, 속해 있는 클래스 인스턴스가 메모리에서 해제될 때