Method Dispatch in Swift

[Youngminah]

메모리에서 어떤 메커니즘으로 함수를 호출 하는지 알아보자

메소드 디스패치란?

메소드 디스패치: 메소드를 실행할 때 어떤 명령어을 실행해야 하는지 결정하도록 돕는 메커니즘 how a program selects which instructions to execute when invoking a method

글 시작전 알아야 할 것

Static Dispatch : 값 타입(value types) 과 참조 타입(reference types) 모두 지원한다. Dynamic Dispatch : 반면에, 동적디스패치는 참조 타입(reference types)만 지원한다. 이러한 이유는 동적디스패치를 위해서는 상속이 필요한데 값 타입은 상속을 지원하지 않기 때문이다.
크게 보면 , Dispatch 기술은 2가지 타입(Static and Dynamic)이 아닌 4가지 타입으로 나뉜다.

1. Inline (Fastest)
2. Static Dispatch
3. Virtual Dispatch
4. Dynamic Dispatch (Slowest)

이 중에 어떤 기술을 이용할 지는 컴파일러에 달려있다. 가장 빠른 Inline으로 올라가거나 가장 느린 Dynamic으로 내려오는 등 필요에 따라 결정한다.

Objective-C , Swift

Objective-C

디폴트로 Dynamic Dispatch를 지원한다.

• 장점
  • 다형성의 형태로 프로그래머에게 상당한 유연성을 제공한다.
  • 이미 존재하는 메소드 등을 서브 클래싱, 재정의 할 수 있기 때문임.
• 단점
  • 런타임에 필요한 오버헤드가 많아지므로, 비용(Cost)이 많이 든다.

Swift

• Dynamic Dispatch를 위해서 우리는 상속을 사용한다.

• 기본 클래스(base class)를 서브 클래싱하고 기본 클래스에 존재하는 메소드를 재정의(override)한다.

• 또한, 우리는 dynamic 키워드를 사용하고 @objc 키워드를 prefix하여 Objective-C 런타임에 메소드를 노출시키기도 한다.
  

• Static Dispatch를 위해서 우리는 final, static 키워드를 통해 클래스의 경우 추가적인 상속이나 재정의가 불가능하도록 만든다.
  
  

Static vs. Dynamic

Dynamic

• 런타임 오버헤드의 비용을 증가시켜 언어 표현력(language expressivity)을 향상시킨다.
• 즉, 메소드를 호출할 때마다, 컴파일러가 특정 메서드의 구현을 확인하기 위해 ,
• witness table (가상 테이블 또는 다른 언어의 디스패치 테이블) 이라고 부르는 내부를 조사해야 한다,
• 컴파일러는 수퍼클래스의 구현을 참조하는지 아니면 하위 클래스의 구현을 참조하는지 판별할 필요가 있다.
• 그런데, 메모리에 모든 오브젝트는 런타임에 올라가게 되므로 컴파일러는 이러한 과정을 런타임에 해야할 수 밖에 없다.

Static

• 반면 정적 디스패치는 이렇지 않아도 된다.
• 컴파일러는 컴파일 타임에 어떤 메소드 구현이 호출되어야할지 알고있다.
• 그러므로 컴파일러는 여러 최적화 기법을 적용할 수 있고 혹은 코드를 Inline으로 변환(convert)할 수도 있다.
• 따라서 전체적인 프로그램의 속도를 상당히 빠르게 향상시킬 수 있다.
  
  

위의 내용 직관적 정리

Static Dispatch (or Direct Dispatch)

• 컴파일러가 컴파일타임에 명령어가 어디 있는지 결정이 되어 찾을 수 있으므로, 동적 디스패치와 비교할 때 훨씬 빠르다.
• 따라서, 함수가 호출 되면 , 컴파일러는 함수의 메모리 주소로 직접 점프하여 작업을 수행한다.
• 인라인과 같은 특정 컴파일러 최적화와 큰 성능 향상이 될 수 있다.

Dynamic Dispatch

• 앞에서 설명한 것처럼 이러한 유형의 디스패치에서는 구현이 컴파일 시간 대신 런타임에 선택되어 오버헤드가 추가된다.
  
  

그렇다면, 비용이 많이 드는 Dynamic Dispatch 왜 사용할까? ❗️

• OOP의 특징인 유연성 (Flexibility) 때문이다.
• 대부분의 OOP 언어는 다형성(객체 지향 3대 원칙)이라는 특징때문에 Dynamic Dispatch를 지원한다.
  
  

Dynamic Dispatch 2가지 타입

Table Dispatch

• 이 디스패치 기법은 테이블을 사용한다.
• 여기서 테이블이란 함수 포인터로 이루어진 배열을 의미하며 Witness Table (혹은 Virtual Table)이라고 불린다.
• 특정 메소드의 구현을 찾는(Look up) 용도로 사용
• Witness Table이 어떻게 작동하는가?
  • 모든 서브클래스는 각자의 테이블을 갖고있다.
  • 이 테이블은 서브클래스가 재정의한 모든 메소드에 대해 다른 함수포인터를 갖고있다.
  • 서브클래스가 새로운 메소드를 추가하면 해당 메소드에 대한 함수포인터가 배열 끝에 추가된다.
  • 컴파일러가 런타임에 이 테이블을 사용하여 어떤 메소드를 호출할지 결정한다.
• 정적 디스패치와 달리 컴파일러가 먼저 테이블로부터 메모리 주소를 읽고(read)
• 해당 위치로 이동(jump)해야 하므로 두번의 연산이 요구된다.
• 이것이 정적 디스패치보다 느린 이유다. (메시지 디스패치보다는 여전히 빠르다)

Message Dispatch

• 이 동적 디스패치 기법은 가장 동적이라고 할 수 있다.
• 사실 이 기법은 최적화 측면을 제외하면 매우 좋아서
• Cocoa 프레임워크에서도 KVO, 코어데이터와 같은 곳에서 자주 사용된다.
• 이 방법은 런타임에 메소드의 기능(functionality)를 바꾸는 Method Swizzling을 가능하게 한다.
• Swift 컴파일러는 이 기법을 Obejctive-C 런타임을 사용해 achieve한다.
• Swift 4.0 이후부터는 @objc 키워드를 마크해주어야한다.
  
  

예제

값타입

struct Person {
    func isIrritating() -> Bool { } // Static
}

extension Person {
    func canBeEasilyPissedOff() -> Bool { } // Static
}

• 구조체와 열거형은 값타입이며 상속이 불가능하므로 컴파일러는 당연히 정적 디스패치를 사용할 것이다.
  

프로토콜

protocol Animal {
    func isCute() -> Bool { } // Table
}

extension Animal {
    func canGetAngry() -> Bool { } // Static
}

• 여기서 키포인트는 extension 내부에서는 항상 정적 디스패치가 이루어진다는 것이다.
• extension에서는 재정의가 불가능하기 때문에 그렇다.
  

클래스 (참조타입)

class Dog: Animal {
    func isCute() -> Bool { } // Table
    @objc dynamic func hoursSleep() -> Int { } // Message
}

extension Dog {
    func canBite() -> Bool { } // Static
    @objc func goWild() { } // Message
}

final class Employee {
    func canCode() -> Bool { } // Static
}

• 보통의 메소드 선언은 프로토콜과 동일하게 동적 디스패치(그 중에서도 테이블 디스패치)를 따른다.
• Objective-C 런타임에 노출시키면 (@objc 키워드를 통해) 메소드는 메시지 디스패치를 사용한다.
• 하지만 final 키워드로 마크되어 서브클래싱이 불가능하다면 클래스라도 정적 디스패치가 가능하다.
  

참고자료

Static vs Dynamic Dispatch in Swift: A decisive choice Method Dispatch in Swift 번역본

[Lautner-kwangho]

Static Dispatch : 갑 타입(value types) -> 오타 수정 Static Dispatch : 값 타입(value types)

[Youngminah]

Thank you ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️ @Lautner-kwangho