CPU와 Memory간 데이터 교환 방식

CPU는 직접 메모리에 접근하지 않고, System bus를 통해 메모리(RAM)와 데이터를 주고받음.

주요 흐름

1. CPU가 주소를 지정 (주소 버스 사용)
2. 해당 주소의 데이터를 요청 (제어 버스 사용)
3. RAM이 데이터를 반환 (데이터 버스 사용)
4. CPU가 연산 수행

---

데이터 교환 속도를 높이기 위한 장치

RAM과 CPU간 속도 차이가 커서, 효율적인 데이터 흐름을 위해 사용되는 장치/기술들

장치/기술	역할
캐시 메모리 (L1/L2/L3)	CPU와 RAM 사이에 있는 초고속 메모리. 자주 쓰는 데이터를 저장해 CPU 접근 속도 향상
DMA (Direct Memory Access)	CPU를 거치지 않고 장치 ↔ 메모리 간 직접 전송
MMU (Memory Management Unit)	가상 주소 ↔ 물리 주소 변환. 메모리 보호 및 관리
프리페칭(prefetching)	CPU가 사용할 데이터를 미리 캐시에 로딩
버스 인터리빙(Bus Interleaving)	병렬 버스를 사용해 데이터 전송 병목을 해소

---

Bus

Bus는 CPU와 메모리, 주변 장치간 데이터를 전달하는 통로(전선 묶음)

Bus의 주요 종류

종류	역할
Address Bus	CPU가 데이터를 읽거나 쓸 메모리 주소를 지정
Data Bus	실제 데이터 전송을 담당
Control Bus	읽기/쓰기 신호, 인터럽트 등 제어 신호 전달

기타 System Bus

• System Bus: CPU, RAM, Chipset 등 주요 부품 연결
• I/O Bus: 주변장치(키보드, 저장장치 etc) 연결 ex) PCle, USB etc
• Front-Side-Bus(FSB): 예전 시스템에서 CPU와 메인 메모리 연결 역할

---

Bus를 통해 연결되는 장치들

Bus는 단순히 CPU와 RAM만이 아니라 다양한 장치 연결

장치	연결 목적
스토리지 (SSD, HDD)	저장소에서 데이터 읽기/쓰기
GPU	그래픽 연산 처리
I/O 장치 (마우스, 키보드, 터치)	사용자 입력 수신
네트워크 카드	외부 통신
사운드 카드, 카메라 등	멀티미디어 처리

이들 장치들도 대부분 버스를 통해 CPU와 간접적으로 데이터 교환

---

Cache Memory

Cache Memory는 CPU 내부 또는 근접한 위치에 있는 소용량, 초고속 메모리

역할

• CPU가 자주 접근하는 데이터나 명령어를 미리 저장
• RAM보다 수십~수백배 빠르므로, 속도 병목 완화

Cache 계층 구조

계층	위치	속도	크기
L1 캐시	CPU 코어 내	매우 빠름	수십 KB
L2 캐시	CPU 코어 또는 공유	빠름	수백 KB~MB
L3 캐시	코어 간 공유	느림 (RAM보다는 빠름)	수 MB

---

Cache Hit & Cache Miss

개념	설명	성능 영향
Cache Hit	CPU가 원하는 데이터가 이미 캐시에 있음	✅ 매우 빠름
Cache Miss	CPU가 원하는 데이터가 캐시에 없음 → RAM에서 가져와야 함	❌ 느림 (RAM 접근 필요)

Cache Miss가 자주 발생하면 실행 속도가 현저히 느려짐

---

iOS의 Cache 관련 도구들

NSCache - Memory 기반 Cache

• NSCache는 in-memory cache로, Dictionary와 비슷하게 key-value 형식으로 데이터 저장
• 하지만 Dictionary와 달리, 자동으로 메모리 압박 시 Cache 제거(didReceiveMemoryWarning 대응)
• thread-safe (multi thread 환경에서도 안전)

주요 특징

특징	설명
메모리 자동 관리	시스템이 메모리 부족하면 자동으로 객체 제거 (LRU 기반)
thread-safe	동시 접근에 안전
delegate 없이 간단 사용	별도 설정 없이 사용 가능
cost 설정 가능	객체마다 메모리 비용(cost)을 설정하여 캐시 제한 관리 가능

예시 코드

let imageCache = NSCache<NSString, UIImage>()

func loadImage(for url: URL, completion: @escaping (UIImage?) -> Void) {
    if let cachedImage = imageCache.object(forKey: url.absoluteString as NSString) {
        completion(cachedImage)
        return
    }

    URLSession.shared.dataTask(with: url) { data, _, _ in
        if let data = data, let image = UIImage(data: data) {
            imageCache.setObject(image, forKey: url.absoluteString as NSString)
            completion(image)
        }
    }.resume()
}

---

URLCache - Network 응답 Cache

• URLCache는 HTTP(S) 요청의 응답을 저장하여, 같은 요청에 대해 서버와 다시 통신하지 않고 로컬에서 응답
• 기본적으로 URLSession과 연동되어 동작
• 디스크/메모리 양쪽에 캐시 저장 가능

Cache 저장 조건

• 응답 헤더에 Cache-Control, ETag, Expires 등 캐시 가능 지시자가 있어야함
• URLSessionConfiguration의 urlCache 속성에 캐시 설정이 되어 있어야함

예시 코드

let memoryCapacity = 50 * 1024 * 1024  // 50MB
let diskCapacity = 100 * 1024 * 1024   // 100MB
let cache = URLCache(memoryCapacity: memoryCapacity, diskCapacity: diskCapacity, diskPath: "myCache")

let config = URLSessionConfiguration.default
config.urlCache = cache
config.requestCachePolicy = .returnCacheDataElseLoad

let session = URLSession(configuration: config)

Cache 정책 (requestCachePolicy)

정책	설명
.useProtocolCachePolicy	응답 헤더에 따른 기본 정책
.reloadIgnoringLocalCacheData	항상 새로 요청, 캐시 무시
.returnCacheDataElseLoad	캐시가 있으면 사용, 없으면 네트워크 요청
.returnCacheDataDontLoad	캐시만 사용, 네트워크 요청 안 함

---

NSCache or URLCache?

상황	적합한 캐시
이미지, 오브젝트 캐시	NSCache
HTTP 응답 캐시 (JSON, HTML, 이미지 등)	URLCache
사용자 정의 리소스 캐싱	NSCache (데이터 타입 자유로움)
시스템 기반 자동 캐싱 활용	URLCache (Cache-Control 기반)

팁

• NSCache는 메모리 기반, URLCache는 네트워크 기반 캐시라는 점이 핵심
• 이미지 앱에서는 Kingfisher, SDWebImage 등 라이브러리가 내부적으로 둘다 활용
• NSCache는 ViewModel 내부에서 UIImage, NSData, Custom Object 등을 캐싱하는데 유용