[Swift] 왕초보를 위한 Class 와 Struct

술술·2024년 3월 22일

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11/21

오늘은 저만 모르는 것 같은 Class와 Struct에 대해 알아보려고 합니다.
여러 블로그를 봤지만 무슨 소리인지 모르겠는 말이 너무 많아서, 다른 용어 검색했다가 꼬리에 꼬리를 물고 모르는 것 검색 무한 반복을 하고 있더라고요. 그러다가 다른 길로 새서 결국 원래 찾아보고자 했던 건 잊어버리는..😅
그래서 한꺼번에 정리를 해보려고 해요.
포스팅이 상당히 길어질 것이라는 말ㅎ
이것만 읽고 Class와 Struct를 이해했다! 가 목표

Class의 특징

Reference Type (참조 타입)
같은 클래스 인스턴스를 만들고 값을 변경하면 모든 변수에 영향을준다.

인스턴스란?

  class Person {
      var name: String = "gosim"
  }
  
  // 클래스 / 구조체 / 열거형에서 생성된 객체
  // 이게 인스턴스
  var instance = Person()

상속이 가능하다.
타입 캐스팅을 통해 런타임에서 클래스 인스턴스의 타입을 확인할 수 있다.
타입 캐스팅 (Type casting) 은 인스턴스의 타입을 확인하거나 해당 인스턴스를 자체 클래스 계층 구조의 다른 곳에서 다른 상위 클래스 또는 하위 클래스로써 취급하는 방법
- 참고: 타입 캐스팅
인스턴스가 소멸될때 deinit 메서드가 호출된다.
- 클래스는 참조타입이기 때문에, 더 이상 참조할 필요가 없을때 메모리에서 소멸된다. (class 인스턴스에 nil을 넣었을때)
- 이때 호출되는 메서드가 deinit 메서드이다. 따라서 인스턴스가 소멸되기 직전에 처리할 코드를 넣어주게된다.
- 그래서 몇군데서 참조하고 있는지 알 수 있게 자동으로 참조 카운트(automatically ref counted) 를 세고, 얘를 가리키는 애가 더이상 존재하지 않으면 힙에서 사라짐.

class Person{
  	var name = "kim"
  	var age = "20"
  	deinit {
    	print("Person 클래스 인스턴스가 소멸됩니다.")
  	}
}

let kim = Person()
kim = nil // >>> Person 클래스 인스턴스가 소멸됩니다.

객체 지향 프로그래밍(Object-Oriented Programming, OOP) 지원
객체지향 프로그래밍(Object-Oriented Programming, OOP)은 프로그램을 명령어의 집합으로 보는 것을 넘어, 여러 객체들의 모임으로 보는 것이다.
- 참고 : 객체지향 프로그래밍
언제나 변경 가능함(mutable). pointer 갖고 있기 때매 해당 Heap 에 가서 변경하면 되는 거
- Heap에 대한 이야기는 아래에서!

자동 참조 카운팅 (Automatic Reference Counting, ARC)로 메모리 관리를 한다.
- ARC 추가 설명

Struct의 특징

Value Type
여러 인스턴스를 만들고 값을 변경해도 , 각 인스턴스의 값은 다르다.

구조체는 상속할 수 없다.
타입캐스팅은 클래스의 인스턴스에만 허용된다.
deinit은 클래스의 인스턴스에서만 호출된다. deinit은 사용 불가능하다.
참조 횟수 계산은 클래스의 인스턴스에만 적용된다.
구조체는 생성자를 구현하지 않아도 default initalizer 를 사용할 수 있다.
구조체 내부에 구조체, 클래스 내부에 클래스 등 중첩타입의 정의 및 선언이 가능하다.
Swift 표준 라이브러리의 기본 타입은 모두 구조체이다.(String, Bool, Int, Array, Dictionary, Set .....)
함수형 프로그래밍(Functional Programming, FP) 지원
함수형 프로그래밍(Functional Programming, FP)이란 "순수함수"를 이용해서 프로그래밍을 하는 것
- 2강 부분 참고

Class, Struct 공통점

값을 저장할 프로퍼티를 선언할 수 있다.
메서드를 선언할 수 있다.
내부 프로퍼티에 .를 사용하여 접근할 수 있다.
생성자(init)를 사용해 초기 상태를 설정할 수 있다.
extension을 사용하여 기능을 확장할 수 있다.
Protocol을 채택하여 기능을 설정할 수 있다.

프로토콜 (protocol) 은 메서드, 프로퍼티, 그리고 특정 작업이나 기능의 부분이 적합한 다른 요구사항의 청사진을 정의합니다.

확장 (Extensions) 은 기존의 클래스, 구조체, 열거형, 또는 프로토콜 타입에 새로운 기능을 추가합니다.

Class, Struct 차이점

가장 큰 차이점은 구조체는 값타입, 클래스는 참조타입이라는 점이다.
이 때문에 파생되는 차이점들이 존재한다.

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

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

class3.count = 3

print(class1.count) // 3
// class3의 값을 변경했지만 참조타입이므로 class1도 변경 되는 것을 볼 수 있습니다.

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

struct2.count = 2
struct3.count = 3

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

구조체는 언제 생기고, 사라질지 컴파일 단계에서 알 수 있기 때문에 메모리의
Stack 공간에 할당되고
클래스는 참조가 어디서 어떻게 될지 모르기 때문에 Heap이라는 공간에 할당
일단 참조타입은 스택에 저장되긴 하는데, 값이 저장되는 것이 아니라 주소가 저장.
값은 힙에 저장
즉, 참조타입은 힙 영역에 값을 저장하고 이를 가리키는 주소를 스택 영역에 저장

Stack 할당

스택 자체의 크기는 컴파일 시점에 결정

Stack은 LIFO(Last In First Out) 형태의 자료구조로 가장 마지막에 들어간 객체가 가장 먼저 나오게 되는 자료구조인데요, 자료구조 특성상 하나의 명령어로 메모리를 할당, 해제할 수 있습니다. 또한 컴파일 단계에서 언제 생성되고 해제되는지 알 수 있는 구조체와 같은 값들이 스택에 저장되게 됩니다.

스레드들은 각각 독립적인 Stack 공간을 가지고 있기 때문에 상호 배제를 위한 자원이 필요하지 않습니다. 즉 스레드로부터 안전하다는 말이 됩니다. 이러한 특징 때문에 Stack의 값을 사용하는 것이 Heap의 값을 사용하는 것보다 빠르다고 할 수 있습니다.
스레드(thread)는 어떠한 프로그램 내에서, 특히 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위를 말한다. 일반적으로 한 프로그램은 하나의 스레드를 가지고 있지만, 프로그램 환경에 따라 둘 이상의 스레드를 동시에 실행할 수 있다. 이러한 실행 방식을 멀티스레드(multithread)라고 한다.
- 스레드 참고

Heap 할당

Heap에는 컴파일 단계에서 생성과 해제를 알 수 없는 참조 타입의 객체가 할당됩니다.
즉 Swift에서는 클래스 객체가 힙에 할당되게 됩니다.
Heap은 Stack보다 관리하기가 어려운데요, 이는 메모리 할당과 해제가 하나의 명령어로 처리되지 않기 때문입니다. 아까 Stack에서는 pop, push라는 하나의 명령어로 할당, 해제가 이루어졌지만 Heap은 참조 계산도 해줘야 하므로 Stack보다 복잡합니다.

또한 Heap은 스레드가 공유하는 메모리 공간이기 때문에 스레드로부터 안전하지 않습니다. 즉 이를 관리해주기 위한 lock과 같은 자원도 필요하게 되고 이는 곧 오버 헤드로 이어지게 됩니다.

오버헤드(overhead)는 어떤 처리를 하기 위해 들어가는 간접적인 처리 시간 · 메모리 등을 말한다.
이번에 말하는 오버헤드는 실제 실행되는 메서드를 코드를 훑으며 찾는 과정이다.
즉, 오버헤드가 발생하면 비용이 발생한다.

구조체와 클래스가 중첩된 경우는 힙 영역에 저장될까? 스택 영역에 저장될까?

1. 값 타입을 포함하는 참조타입

클래스 내부에 구조체 프로퍼티가 있는 경우를 말한다. 이러한 경우에는 참조타입이 소멸되기 전에 값 타입도 힙에 저장된다.
클로저 내부에 사용하는 값 타입도 이러한 경우에 포함된다.

2. 참조 타입을 포함하는 값 타입

구조체 내부에 클래스 프로퍼티가 있는 경우를 말한다. 내부에 참조타입이 있기 때문에 참조 카운팅을 처리해주어야 한다.

값 타입의 Copy-on-assignment, Copy-on-write
값 타입을 다른 변수에 할당하면 복사를 하게 됩니다. 즉 새로운 메모리 공간에 같은 값을 복사하게 되는데요, 이를 Copy-on-assignment라고 합니다.

이와 다르게 Copy-on-write는 다른 변수에 할당하면 일단은 메모리를 할당하지 않고 같은 곳을 봅니다. 그러다 해당 값을 변경할 때 실제로 메모리에 값을 복사하고 값을 변경하게 됩니다. 이는 메모리를 최적화해주기 위함이며 Swift에서는 Int, Double, String, Array, Set, Dictionary에서만 사용하고 있습니다.

참조 타입을 포함하고 있는 값 타입은 이러한 메모리 최적화를 할 수 없습니다. 물론 억지로 만들 순 있지만 이는 많은 오버헤드를 발생시킵니다.