iOS에서의 메모리 구조와 관리 방식에 대해 자세히 설명해주세요.

[kmh5038]

• iOS 앱의 메모리 구조(힙, 스택, 코드 영역 등)와 각 영역의 특징에 대해 설명해주세요.
• 힙 영역에서 객체가 어떻게 할당되고 관리되는지 설명해주세요.
• 스택 영역에서 함수 호출과 로컬 변수의 메모리 할당 및 해제 과정을 설명해주세요.

[kmh5038]

iOS 메모리 구조와 관리 방식

iOS의 메모리 구조와 관리 방식에 대해 알아보려한다.

프로그램이 실행되면 OS가 메모리 공간을 할당해주는데 Code, Data, Heap, Stack 4개로 나뉜다.

1. 정의

1-1. Code

우리가 작성한 소스코드가 저장되는 영역이다.

• 컴파일 타임에 결정된다.
• 소스코드를 기계어 형태 (0,1)로 변경하여 저장한다.
• 컴파일 타임에 결정되고, 중간에 코드가 변경되면 안되니 Read-Only로 저장된다

1-2. Data

프로그램 어디서든 사용될 가능성이 있는 전역변수와 static변수가 저장된다.

• 컴파일 타임에 결정된다.
• 전역변수,static변수가 저정된다.
• 프로그램 시작과 동시에 할당되며 프로그램이 종료되어야 메모리가 해제된다.
• 실행도중 변수값이 변경될 수 있으니 Read-Write로 저장된다.

1-3. Heap

데이터 크기가 확실하지 않은 가변적인 데이터 타입들이(런타임 시 결정되기 때문에 데이터크기가 확실하지않음) 저장되는 영역이다. 클래스 인스턴스나 클로저 등 참조 타입들이 주로 할당되지만, 값타입도 할당은 가능하다.

• 4개의 영역중 유일하게 런타임에 결정된다.

장점

• 메모리 크기에 대한 제한이 없다. 그래서 “자유 저장 영역” 혹은 “동적 메모리 영역”이라 불린다.
• 본질적인 범위가 전역이기 떄문에, 프로그램의 모든 함수에서 엑세스 할 수 있다.

단점

• 스레드들이 공유하는 영역이기 때문에,힙 경합(두 개 이상의 쓰레드가 동시에 접근하려 할 때)이 발생할 수 있다. → 속도 저하 유발, thread-safety X
• 메모리를 직접 관리해야한다. 메모리 해제를 해주지 않으면 메모리 누수가 발생한다. → Swift의 경우 ARC를 통해 자동으로 해제를 관리해준다.

1-4. Stack

함수의 호출과 관련된 지역변수,매개변수,리턴 값들이 저장되는 영역이다.

• 컴파일 타임에 결정된다.
• 이름 그대로 스택이기 때문에 후입선출 LIFO(Last In,First Out)방식으로 동작한다.

장점

• CPU에서 관리하고 최적화 하기 때문에 속도가 매우 빠르다.
• 함수가 종료되면 메모리도 자동으로 해제된다.
• 스레드 별로 독립적인 영역을 가지고 있다. → thread-safety O

단점

• 메모리 크기에 제한이 있다.
• 지역 변수만 액세스 가능하다.

2. Heap & Stack

2-1. 언제 Heap을 쓰고, 언제 Stack을 쓸까?

Stack은 메모리가 한정되어 있기 때문에 너무 큰 메모리는 할당할 수 없다.

데이터의 크기를 모르거나, Stack에 저장하기엔 큰 데이터의 경우엔 Heap에 할당 하고 그 외엔 Stack에 할당하면 된다. (인스턴스, 클로저 등 자동으로 Heap에 할당되는 것 외에 직접 할당할 경우) 만약 Stack에 너무 많은 메모리를 할당하게 되면 Stack overflow가 발생한다.

Stack overflow?

스택에 너무 많은 메모리를 할당하게 되어 자신의 스택 영역을 초과한 경우,

iOS에서 Stack over flow 발생 시 앱이 crash된다.

2-2. 클래스 인스턴스 생성시

변수는 Stack에 저장되고, 그 변수는 Heap의 주소 값을 갖는다.

클래스 인스턴스를 Heap에 저장하려면 어디에 저장할지 찾아야 하고 멀티 스레드 환경에서 Locking, 해제과정 등 시간이 소요되기 때문에 클래스를 사용하는것은 Stack에 저장되는 구조체를 사용하는 것보다 오래 걸린다.

클래스와 구조체 두개 다 사용 가능한 경우, 구조체를 사용하는것을 권장하고 상속이나 참조와 같은 클래스만의 기능을 사용해야 할 경우 클래스를 이용한다.

2-3. 힙과 스택의 메모리 관계

Heap과 Stack 같은 메모리 영역을 공유한다.

같은 메모리 공간에서 힙 영역은 낮은 메모리 주소부터 할당받고,

스택 영역은 높은 메모리 주소부터 할당 받는 것이다.

따라서 힙 또한 자신의 영역 외로 확장하려다 보면 Heap overflow가 발생한다.

[Hminchae]

컴파일타임, 런타임에 결정된다는게 정확히 어떤 의미인가요?

[Phangg]

클래스 인스턴스를 Heap에 저장하려면 어디에 저장할지 찾아야 하고 멀티 스레드 환경에서 Locking, 해제과정 등 시간이 소요되기 때문에 클래스를 사용하는것은 Stack에 저장되는 구조체를 사용하는 것보다 오래 걸린다.

클래스와 구조체 두개 다 사용 가능한 경우, 구조체를 사용하는것을 권장하고 상속이나 참조와 같은 클래스만의 기능을 사용해야 할 경우 클래스를 이용한다.

클래스가 기본적으로 Heap 영역에 저장 ( == 런타임에 실행 ) 되는 이유는 Reference 타입이라 그런걸로 알고 있어요. ( 오버라이딩이 될 가능성이 있기 때문 )

구조체의 경우도 Stack 의 영역에서 벗어나는 경우가 있나요..?

class 가 내부에서 아무것도 갖지 않고, extension 에서 메서드를 갖고 있다면 오버라이딩이 불가능하다고 알고 있는데.. 이럴때는 어느 영역에서 저장이 될까요..?