메모리 관리

현대 컴퓨터 구조에서는 프로그램이 메모리에 올라간 상태로 명령어가 하나씩 실행된다.
모든 객체 인스턴스는 메모리에 만들어진다.
그 중에서 객체에 대한 메모리 관리는 필수적이면서, 귀찮은 숙제이다.

메모리 사용을 최적화하는 과정은 CPU 사용률에 직간접적으로 영향을 주고, 배터리 소모량에도 영향을 미친다.

메모리와 객체

OS가 관리하는 프로세스는 이론적으로

1. 32bit -> 4GB : (2^32)
2. 64bit -> 18EB : (2^64)macOS는 메인 메모리상의 사용하지 않는 공간을 '페이지' 단위로 나눠서 하드디스크에 백업(Swapping)하는 기능을 제공한다.
   반면에 iOS는 하드디스크가 없고, 대신 플래시 메모리를 사용하기 때문에, 늘 메모리가 부족하기 마련이다.
3. 크기를 가지는 가상 주소 공간에 접근할 수 있다.

iOS에서 읽고-쓰는 데이터는 프로그램을 실행하는 동안 사라지지 않지만, 사용하지 않는 읽기전용 데이터는 페이지를 저장하고 메모리상에서 지운다.
더 나아가, 읽고쓰는 데이터들의 총합이 일정 수준 이상 많아지면, 메모리 부족 경고를 보내고, 그래도 부족하면 앱을 강제 종료시켜서 메모리를 확보한다.

• applicationDidReceiveMemoryWarning(_:)
  메소드를 구현하여서, app이 죽지 않게 메모리를 확보하는 작업을 할 수 있다.

macOS와 iOS를 비롯한 OS는 프로세스 주소 공간보다 물리 메모리(실제 메모리)가 부족하기 떄문에, 가상 메모리 방식을 사용한다.
물리 메모리보다 더 큰 가상 메모리를 다루기 이ㅜ해서, CPU와 MMU에서 일정한 크기를 가신 '페이지' 단위로 나눠 메모리를 관리한다.
기본적으로 크기는 4KB를 사용하며, Page Fault가 발생하면 -> 디스크에서 4KB 단위씩 새 페이지를 읽는다.

객체 인스턴스 생성

객체를 구현할 때, 우선적으로 고민해야 하는 것은 '객체 생명주기' 를 예측 가능하게 만드는 것이다.
보통 클래스 코드를 작성할 때, 생명주기와 관련해서 생성자 메서드를 가장 먼저 구현한다.

Pen *aPen = [[Pen alloc] init];

Pen 클래스에 +alloc 메세지를 보내면 힙 공간에 객체 인스턴스가 만들어진다.
+alloc 메서드 구현 내용을 수도코드로 보면 이렇다.

+alloc{
    id newObject = malloc(self->clsSizeInstance, 0);
    newObject->isa = self;
    return newObject;
}

해당 클래스의 메타 클래스에 명시된 속성 데이터 타입 크기를 확인해서 clsSizeInstance 크기만큼 힙 메모리를 할당한다.
메모리를 할당하는 단위를 16Byte이다.
If) 4Byte를 요청하면 -> 16Byte 할당, 20Byte 요청 -> 32Byte 할당
64bit 커널을 기준으로 994Byte ~ 128KB -> 512Byte 단위로 할당, 그 이상 -> 4KB를 할당

+alloc 메서드는 _allocWithZone: 을 호출하고, class_createInstance() 런타임 API를 호출하는데,
이 함수 내부에서 calloc() 함수를 호출한다.
calloc() 함수 : malloc() 과는 달리 객체 크기만큼 메모리를 할당한 다음, 할당된 메모리 공간을 0으로 채워준다.

메모리 할당 단위

메모리에 TINY, SMALL, LARGE 단위의 메모리 조각들이 구분없이 만들어지면, 외부 파편화가 발생할 것이다.
따라서 힙 메모리 공간을 영역별로 구분한다.

-??> JAVA GC에서는 Compact 작업이 있는데, 없는건가?

메모리 영역과 가상메모리

UIImage 클래스의 +imageNamed: 메서드로 이미지를 생성할 경우, 의도하지 않아도 시스템 내부에 이미지를 캐싱한다.

객체 인스턴스 소멸

소멸자 메서드는 생성과 달리 객체가 소멸되기 직전에 호출된다.
객체 내부에서 생성한 객체 인스턴스가 있다면, 먼저 해제해주도록 도와준다.
-> 그래야 불필요한 객체 인스턴스들이 남지 않기 떄문이다.

요약

요즘 단말기기의 대부분은 커널에서 관리하는 가상 메모리 크기도 커지고, Zone 관리도 필요가 없어졌다.
따라서 프로그램 데이터 구조를 강제로 줄이거나 조정해야 하는 제약 사항이 사라졌다.
그럼에도 객체 인스턴스를 메모리에 생성해서 소멸할 때까지의 과정을 메모리 관리 측면에서 이해하고 있으면 효율적인 것은 변함없다.
객체 인스턴스가 아니더라도 이미지나 DB Cache를 위해 내부적으로 할당하는 메모리 공간에 대해 종합적으로 고려해야 한다.

참조 계산

객체 인스턴스가 메모리에 생성되고 소멸되기까지를 '객체의 생명주기' 라고 부른다
어떤 객체는 생명주기가 짧고, 어떤 객체는 App과 같이 긴 경우도 있다.
이렇게 만들어진 객체는 처음에 필요해서 만든 객체가 아니라, 전혀 다른 객체가 메세지를 보내기 위해 참조하기도 한다.

특정 객체가 다른 객체를 참조하는 경우, 참조할 객체가 메모리에 존재하는지 아니면 사라졌는지 판단할 필요가 있다.
Apple은 객체 인스턴스를 확인하기 위해 "참조 계산" 방식을 제공한다.
-> Reference Counting 이 ARC가 동작할 수 있는 바탕이다.

코코아 프레임워크가 제공하는 모든 객체는 "참조 카운터" 공간이 있다.
해당 객체의 참조 횟수를 계산한 값을 기록하는 공간이다.
객체가 만들어질 때, 해당 객체를 참조하는 포인터로 인해서 1로 설정
다른 객체들이 추가로 강한 참조(retain)할 때, +1
참조하고 있던 객체들이 끊으면(release)할 때, -1 로 동작한다.

Apple에서도 Java JVM처럼 GC를 지원했었다.
사라진 원인은 알아보쟈...

객체 소유권

다른 객체를 참조한다는 것을 C 스타일로 표현하면, "다른 객체의 힙 메모리 주소를 포인터 변수에 담고 있는 것" 을 의미한다

    Pen *aPen = [[Pen alloc] init];
    Pen *bPen = aPen;
    [aPen release];
    bPen.color = [UIColor yellowColor]; -> bPen이 객체 인스턴스를 retain하지 않았기 떄문에 nil 크래시

객체 소유권 규칙

코코아에서 사용하는 일반적인 객체 소유권 규칙은 다음과 같다.

• 특정 객체를 새로 만드는 경우는 소유권을 갖는다.
• 다른 객체가 생성한 객체를 참조하기 전에, 소유권을 요청해서 받아야 한다.
• 소유권을 얻는 객체를 더 이상 참조하지 않으면, 소유권을 반환한다.
• 소유권을 갖고 있지 않는 객체를 반환하면 안된다.

이 규칙을 코코아 프레임워크 용어로 다시 설명해보자.

• '소유권을 갖는다' -> 참조 횟수를 1 증가한다.
• '소유권을 반환한다' -> 참조 횟수를 1 감소한다.

    Pen *aPen = [[Pen alloc] init];
    Pen *bPen = [aPen retain];
    Pen *cPen = [bPen copy];
    [aPen release];
    bPen.color = ...
    cPen.color = ...
    [cPen release];
    [bPen release];

객체 메서드와 소유권 규칙

1. alloc, new, copy, mutableCopy 계열 메서드로 특정 객체를 생성하거나 복사하는 경우 새로운 객체 인스턴스를 만든다
   • 그리고 참조 횟수를 1로 설정하고 소유권을 갖는다.
2. 다른 객체가 이미 만들어 놓은 객체 인스턴스를 참조하는 경우에는 retain 메서드를 사용해서 객체 소유권을 요청한다.
   • 그리고 참조 횟수를 1 증가한다.
3. 1, 2에서 소유권을 얻는 객체를 더 이상 참조하지 않는 경우, release 또는 autorelease 메서드를 사용해서 객체 소유권을 반환한다.
   • 참조 횟수를 1 감소한다.
4. 소유권을 갖고 있지 않은 객체는 반환하면 안된다.
   • 1, 2에서 설명한 메서드로 소유권을 요청한 적이 없거나, 이미 소유권을 반환한 경우에는 release/autorelease 메세지를 보내면 안됨

자동 반환 목록(autorelease list)

앞에서 객체 소유권을 반환할 때, release나 autorelease 메서드를 사용한다고 했다.
특정 객체에게 release 메세지를 보내면 참조 횟수가 1 감소하고, 0이 되면 그 즉시 dealloc 메서드를 호출하고 메모리를 반환한다

어떤 객체는 생성하고 소유권이 없는 상태에서 다른 객체가 사용할 때까지, 일정 시간동안 메모리를 반환하지 않고 남아있어야 하는 경우가 있다.
이런 경우를 대비해 '자동 반환 목록 동작'에 대해 알아보자.
자동 반환 목록은 일정 시간 뒤에, 반환할 객체 목록을 만들어서 관리해준다.

Objectice-C 객체 인스턴스는 힙 메모리에 만들어지지만, 함수 범위나 문법적으로 특정 범위가 정해진 변수들은 C 언어처럼 자동 변수 스택에 생겼다가 사라진다.

temp 객체는 alloc, init 메서드로 만들어졌고, 소유권 규칙에 따라 소유권을 갖는다.
당연히 temp 객체 메모리를 해제할 때, release 메세지를 보내야 한다.
하지만 release 메세지를 보내서 소유권을 즉시 반환하는 대신, autorelease 메세지를 보내면, "자동 반환 목록" 에 객체를 등록할 수 있다.
그리고 주석 부분에 해당하는 다른 작업을 처리하고, autoreleasePool 객체가 drain 메서드를 처리하면서 "자동 반환 대상"인 객체를 차례대로 release 시킨다.

간편한 메서드와 자동 반환 대상

코코아 프레임워크 객체 중에는 객체를 생성하면서, "자동 반환 목록"에 추가하는 객체가 존재한다.
객체 팩토리 메서드 중에서 객체를 생성하기에 편리하도록 준비된 특별한 메서드는 객체를 '생성'하고 '초기화'한 다음 "자동 반환 목록"에 등록까지 해준다.
간편한 메서드(convenience methods)의 클래스 이름 형태는 코코아 클래스 이름에서 NS 접두어가 없고 소문자로 시작한다.
ex) NSString 클래스는 +string~ 형태로 시작하는 +stringWithFormat:, +stringWithString: 같은 메서드가 바로 간편한 메서드다.
NSNumber에서는 +numberWith~ , NSArray에서는 +array~ 메서드가 간편한 메서드이다.

NSString* aString = [[NSString alloc] initWithFormat: @"%08d", myNumber];

위 코드는 다음과 같이 풀어쓸 수 있다.
동작은 동일하나 소유권이 aString 객체를 생성한 객체에 있는 것이 아니라, "자동 반환 목록"으로 넘어간다.

NSString* aString = [[[NSString alloc] initWithFormat: @"%08d", myNumber] autorelease];

자동 반환 대상을 관리하는 AutoreleasePool 클래스에 대한 객체는 스레드마다 하나씩 생성해서 소유권을 갖고 있다가, 스레드가 끝날 때, 같이 소멸되도록 권장한다.
main() 함수 내에는 AuroreleasePool 객체가 이미 들어있다. -> 메인 스레드에는 별도로 생성할 필요 X

자동 반환 목록 사용 시 주의 사항

AutoreleasePool 객체는 대부분 NSRunLoop 클래스와 함께 동작하는데, 코드 흐름상 반복해서 객체를 생성하는 경우에는 자동 반환 목록에 있는 객체를 반환하는 시점이 되기도 전에 너무 많이 쌓이는 현상 이 생길 수 있다.

객체 그래프

OOP로 프로그래밍을 하다보면 여러 객체 인스턴스가 만들어지고, 객체들끼리 참조 관계가 생긴다.
이런 객체들끼리 관계를 네트워크 그래프로 표현하면 -> "객체 그래프"이다.

순환 참조 문제

객체 그래프를 확인해야 하는 이유는 객체끼리 순환 참조가 있는지 여부를 확인하기 위해서다.

요약

특정 객체에 대한 참조 관계를 관리하기 위해, 참조 횟수를 가감하여 계산하는 방식은 객체 포인터 변수를 참조할 때, 위험 요소를 줄이는 방법이다.
메모리 관리를 위해 참조 계산을 실수없이 처리하려면, 객체 소유권 개념을 정확히 파악해야 한다.
즉시 반환할 객체가 아니라면, auroreleasePool을 사용하는게 좋다.

객체 초기화

객체 인스턴스를 메모리에 할당한 직후, 객체 내부 변수를 초기 값으로 지정하기 위해 init 메서드를 사용한다.
NSObject에 구현된 -init 기본 초기화 메서드는 상속받아 만들어진 모든 객체에서 기본 초기화 메서드로 사용한다.

특정 객체가 포함하는 하위 객체는 상위 객체 인스턴스가 만들어지면서 동시에 만들어진다.
이런 소유권을 갖는 하위 객체는 대부분 초기화 메서드에서 만들어진다.
객체 내부 자원에 해당하는 인스턴스 변수를 준비한다는 측면에서 초기화 메서드는 중요하다.
If 상속시) Objective-C 에서 -init 초기화 메서드를 명시적으로 구현하지 않으면, 상속받은 상위 객체에 구현된 초기화 메서드를 호출한다.

여러 초기화 메서드

NSObject 클래스에 선언되어 있는 기본 초기화 메서드는 -(id)init 형태이다.
상속받아 만드는 클래스는 init 메서드를 다음과 같은 형태로 오버라이드해서 구현한다.

-(id)init{
    self = [super init];
    if(self != nil){
        //인스턴스 변수 초기화
    }
    return self;
}

기본 동작이 상속받은 부모 객체의 인스턴스 내부 변수와 리소스를 초기화하고, 자신의 내부 리소스를 초기화하는 순서를 권장하기 때문이다.
초기화 메서드가 기본값이 아닌 외부 데이터에 의존해서 초기값을 설저앻야 한다면, 추가적으로 초기화 메서드를 추가해야 한다.
메서드 명은 -init으로 시작하면 된다.

인스턴스타입(instanceType)
id 타입은 Objective-C에서 모든 객체를 표현할 수 있는 다이내믹 타입이다 -> AnyObject와 비슷
id 타입으로 리턴받은 객체는 타입 정보가 부족해서 특정 메세지를 보낼 수 있는지 없는지 컴파일러가 판단하기 어려움
실제로 메세지를 보내면 리턴받은 객체가 해당 메세지를 받아서 처리할 수 없어 앱이 죽기도 한다
최신 런타임 구조에서는 이런 생성/초기화 관련 메서드 리턴 타입을 id -> instanceType으로 변경했다.

Example

@interface AObject: NSObject
+ (instancetype)factoryMethodA;
+ (id)factoryMethodB;
@end

@implementation AObject
+ (instancetype)factoryMethodA {return [[[self class] alloc] init];}
+ (id)factoryMethodB {return [[[self class] alloc] init];}
@end

void aa(){
    NSUInteger x, y;

    //AObject instancetype
    x = [[AObject factoryMethodA] count]; // Warning -> AObject may not respond to 'count'
    // id
    y = [[AObject factoryMethodB] count]; // Not Warning
}

초기화 메서드 구현하기

코코아 프레임워크에서 -init 계열 메서드를 구현하기 위해 권장하는 가이드이다.

1. 상속받은 Super Class의 초기화 메서드를 먼저 호출한다.
2. Super Class 초기화 메서드 리턴 값을 확인해서 nil이면, 내부 리소스 초기화를 하지않고 그대로 nil을 리턴한다.
3. 내부 리소스를 초기화하면서 객체느 copy나 retain 메서드를 호출해서 소유권을 갖는다.
4. 인스턴스 변수들을 적정한 값으로 초기화하고 나면 self를 리턴한다.
5. 인스턴스 변수들 초기화 과정에서 오류가 발생한 경우에는 self를 해제하고 nil 리턴
6. self가 아닌 객체 인스턴스를 리턴하는 경우라 하더라고 self를 해제해야 한다.

Failable init in Swift

class A{
    var a: Int
    //Swift의 실패가능한 init은 실패 시에는 nil을 반환하지만, 성공시에는 값을 반환하지 않는다.
    //사용하는 이유 : 실수로 만들어지는 객체들로 인한 메모리 낭비를 방지, 예상하지 못한 상황 방지
    init?(value: Int){
        if value < 0{
            return nil
        }
        self.a = value
    }
}

객체 초기화 관련한 문제

한번 -init 계열 메서드로 객체 인스턴스를 초기화한 후, 또다시 -init 계열 메서드를 호출하면 안된다. -> exception 발생

초기화 하는 객체가 +alloc 메서드를 통해 정삭적으로 메모리에 생선한 객체가 아닌 경우도 조심해야 한다.
해당 객체 인스턴스가 하나만 존재해야 하는 싱글톤 인스턴스인 경우도 있고, 내부 인스턴스 변수 객체 중 싱글톤 형태로 존재하는 경우도 있다.

싱글톤 프로퍼티를 갖고 있거나, 클래스 자체가 싱글톤으로 사용된다면 주의

마지막으로 초기화 메서드가 실패한 경우를 대비해야만 한다.
-initWithString: 메서드에 인자 값 문자열이 nil인 경우가 있을 수 있고,
-initWithArray: 메서드에 인자값이 NSArray 대신 NSDictionary일 수도 있다.
이렇게 인자 값이 nil이거나 원하지 않는 객체가 들어오면, 새로 할당한 객체는 반환하고 nil을 리턴해야 한다.