Swift의 메모리 구조 (기초)

참고한 문서
https://babbab2.tistory.com/25 (Swift)
http://www.tcpschool.com/c/c_memory_structure (컴퓨터 일반)
http://net-informations.com/faq/net/stack-heap.htm (컴퓨터 일반 - 힙과 스택 비교)

메모리 구조

프로그램이 실행되면, 운영체제(OS)는 메모리(RAM)에 해당 프로그램을 위해 적절한 메모리 공간을 할당해 준다.

이 메모리 공간은 총 4가지 영역으로 나누어져 있다 - Code, Data, Heap, Stack

출처 : TCPSchool (http://www.tcpschool.com/c/c_memory_structure)

1. Code 코드 영역

• 우리가 작성한 소스 코드가 기계어 형태로 저장됨
• 컴파일 타임에 결정됨
• Read-Only (실행 중 코드가 변경되지 않도록)
• 텍스트 영역이라고도 부름

2. Data 데이터 영역

• 전역변수(Global Variables), static변수(Type Property)가 저장됨
• 프로그램이 시작될 때 할당되고, 프로그램이 종료되어야 해제됨
  • 즉 프로그램이 종료되기 전까지 해제되지 않는다는 의미.
• Read-Write (실행 중 변수 값이 변경될 수 있으므로)

3. Heap 힙 영역

• 프로그래머가 할당/해제하는 메모리 영역. (= 동적 할당)
  • 즉 프로그래머가 관리할 수 있고, 관리해야만 하는 메모리 영역이다.
• Swift에서는 프로그래머가 메모리에 직접 할당하는 대신, 참조 타입 값들이 힙에 자동 할당된다.
  • 예를 들어 클래스 인스턴스, 클로저 등
• 또한 Swift에서는 프로그래머가 메모리를 직접 해제하는 대신, ARC를 통해 더 이상 참조되지 않는 메모리를 자동으로 해제해 준다.
• 사용한 다음에는 반드시 메모리 해제를 해주어야 한다. 그렇지 않으면 메모리 누수(memory leak)가 발생한다.
• 유일하게 런타임에 결정되는 영역이다.
  • 따라서 데이터의 크기가 확실하지 않을 때 사용한다.
  • 크기가 유동적이다. 하지만 가상메모리의 크기에 의해 힙 영역의 크기도 제한되긴 한다.
• 메모리의 낮은 주소 → 높은 주소 방향으로 할당된다.
• 힙 영역의 요소들은 서로 어떤 의존성도 없으며, 언제든 임의접근이 가능하다. 언제든 할당/해제가 가능하다. 이 때문에 힙 영역의 어떤 부분이 어떤 시점에 할당/해제되었는지 추적하는 것이 복잡하다.

4. Stack 스택 영역

• 프로그램이 자동으로 사용하는 임시 메모리 영역
  • CPU에 의해 관리 및 최적화되므로 접근속도가 힙보다 빠르다
  • 프로그래머가 직접 할당/해제하지 않아도 된다
• 함수 호출 시 함수의 지역변수, 파라미터, 리턴값 등이 저장된다. 함수 종료 시 관련 메모리도 해제된다.
• 크기에 제한이 있다. 컴파일 타임에 크기가 결정되므로 무한히 할당할 수 없다.
• 메모리의 높은 주소 → 낮은 주소 방향으로 할당된다.
• 자료구조에서 배우는 스택과 마찬가지로 LIFO (후입선출)로 동작한다.

힙과 스택 비교

힙	스택
참조 타입이 저장됨 (클래스 인스턴스, 클로저 등)	값 타입이 저장됨 (함수의 지역변수, 파라미터, 리턴값 등)
동적 메모리 할당을 위한 공간	정적 메모리 할당을 위한 공간
상대적으로 느림	상대적으로 빠름
런타임에 결정	컴파일타임에 결정
상대적으로 많은 데이터를 할당해야 할 때	상대적으로 적은 데이터를 할당해야 할 때
런타임에 얼만큼의 데이터를 필요로 하는지 모를 때	컴파일 전에 얼만큼의 데이터를 할당해야 하는지 알고 있을 때
프로그램마다 독립된 힙을 가짐	스레드마다 독립된 스택을 가짐 (힙은 공유함)
프로그래머가 할당/해제를 관리함, (Swift) ARC로 관리함	CPU가 할당/해제를 관리함

(번역) 힙과 스택의 차이점

Differences between Stack and Heap

스택과 힙 모두 컴퓨터의 RAM에 저장된다.

값 타입은 스택에, 참조 타입은 힙에 저장된다.

스택은 정적 메모리 할당에 사용되고, 힙은 동적 메모리 할당에 사용된다.

스택

스택에 할당된 변수들은 메모리에 바로 저장되며, 이 메모리에 접근하는 것은 매우 빠릅니다. 그리고 메모리 할당은 컴파일 타임에 이루어집니다.

함수나 메서드가 다른 함수를 호출하고 또 다른 함수를 차례로 호출하는 경우, 이 모든 함수들의 실행은 맨 마지막 함수가 값을 반환할 때까지 정지된 채로 남아 있습니다. 스택은 항상 LIFO 순서로 예약되며, 가장 최근에 예약된 영역이 항상 다음으로 해제될 영역이 됩니다. 이것은 스택을 추적하는 것을 굉장히 간단하게 만들어 주며, 스택으로부터 어떤 영역을 해제하는 것은 포인터 하나를 조정하는 것일 뿐입니다.

힙

힙에 할당된 변수들은 런타임(실행 시간)에 자신들의 메모리를 할당받으며, 이 메모리에 접근하는 것은 조금 더 느립니다. 하지만 힙 영역의 크기는 가상 메모리의 크기에 의해 제한됩니다. 힙의 요소는 다른 요소들과 서로 어떠한 의존성도 갖지 않으며, 언제든 임의접근이 가능합니다. 언제든 영역을 할당하고 해제할 수 있습니다. 이는 힙의 어떤 부분이 어떤 시점에 할당되어 있는지 혹은 해제되어 있는지 추적하는 것을 더욱 복잡하게 만듭니다.

당신이 컴파일 타임 전에 정확히 얼만큼의 데이터를 할당해야 하는지 알고 있을 때, 그리고 그것이 너무 크지 않을 때 스택을 사용할 수 있습니다. 당신이 실행 시점에 정확히 얼만큼의 데이터를 필요로 하는지 모르거나, 많은 양의 데이터를 할당해야 할 때 힙을 사용할 수 있습니다.

멀티스레드 상황에서, 각 스레드는 자신만의 완전히 독립된 스택을 가지지만 스택은 공유하게 됩니다. 스택은 스레드에 따라 다르고, 힙은 응용 프로그램에 따라 다릅니다. 스택은 예외 처리 그리고 스레드 실행에 있어 중요하게 고려되어야 합니다.