COW(Copy-on-Write) 를 알아보자

2022년의 마지막 블로그 글이 될 것 같다

 

Copy-on-Write

값을 실제로 쓸 때 (on-write) 복사한다(copy)

 

실제 복사를 늦추어 힙 할당을 줄이는 최적화 방법

 

 

Usecases

1. Swift Collection : Array, Dictionary, String 등

 

2. 3-word 가 넘는 struct 를 Protocol 타입으로 다룰 때 

 

 

값 타입과 힙 영역의 관계

Array 나 String 은 스위프트에서 값 타입 입니다.

 

값 타입 인스턴스는 기본적으로 스택 영역을 할당하고 그 곳에 값을 초기화하는 것으로 알려져 있습니다.

 

그러면 값 타입과 힙 영역은 어떤 관련이 있을까요?

 

Arrray, String 등 Collection 을 활용하는 특정 값 타입들은 런타임에 element 의 추가, 삭제가 가능하기 때문에힙 영역 데이터를 위한 공간을 내부적으로 할당합니다.

 

그런데 이 타입들은 값 타입이기 때문에 value-semantic 을 가져야합니다.

 

value-semnantic 의 특징은 복사할 때마다 깊은 복사가 일어나는 것입니다.

 

 위 사실 때문에 이 타입들은 값을 복사할 때마다 힙 할당이 일어나야합니다.

 

값 타입의 특성 때문에, 인스턴스마다 독립적인 데이터를 가지고 있어야하기 때문입니다.

 

 

힙 할당과 성능

힙 할당은 가능한 그 횟수를 줄여야하는 성능 저해 요소 중 하나입니다.

 

Arrray, String 등 Collection 을 활용하는 특정 값 타입들은 복사 시 발생하는 힙 할당을 줄이기 위해 COW 를 사용합니다.

 

COW 는 값의 수정 동작 때 실제 복사가 일어나서 결과적으로 힙 할당 수를 줄이는 성능 최적화 기술입니다.

COW 를 사용하면 값 타입의 장점 ( No unintended sharing of state ) 을 가져가면서 value-semantic 때문에 생기는 불필요한 힙 할당을 줄일 수 있습니다.

 

이 글에서는 힙 할당이 성능에 어떤 영향을 주는지 다루지는 않습니다.

 

관련 내용은 WWDC 16: Understanding Swift Performance 영상을 참고하시면 좋을 것 같습니다.

 

 

힙 주소를 확인해서 COW 가 일어나는지 증명하기

어떤 타입이 COW 가 일어난다고 할 때, 다음과 같이 동작함을 예상할 수 있습니다.

1. 복사 동작 시에는 동일한 힙 영역을 공유한다.

2. 수정 동작이 일어날 때 독립적인 힙 영역을 할당/ 초기화하고 수정사항을 반영한다.

간단한 코드로 보면 다음과 같습니다.

 

var array1 = [1,2,3]

var array2 = array1 // 복사 동작, 이 때는 같은 힙 영역을 공유한다.

array2.append(4) // 수정 동작, array1 과 다른 독립적인 힙 영역을 사용한다.

 

이것을 증명할 때의 핵심은 인스턴스가 사용하고 있는 힙 영역의 포인터를 얻어야한다는 것입니다.
값 타입, 참조 타입과 관련없이 스택 영역은 인스턴스마다 항상 독립적으로 할당되기 때문에,
스택 영역 주소를 확인하는 것은 의미가 없습니다.

그렇다면 포인터는 어떻게 얻을 수 있을까요?
우선 포인터는 주소를 저장할 수 있는 변수입니다.
기본적으로 특정 값에서 얻어낸 포인터는 값이 할당된 메모리의 시작주소를 담고 있습니다.
C 포인터를 이해하기 위해 간단하게 정리한 노션 링크를 첨부합니다. (링크)

스위프트는 ARC 를 통해 메모리를 관리하고 있고, 메모리 안정성을 위해 포인터 사용을 지양합니다.
하지만 스위트프는 C 언어와의 상호운용성을 위해 Unsafe, Unmanaged 라는 prefix 로 시작하는 API 를 제공합니다.
그리고 스위프트는 스위프트 값을 포인터로 자동으로 변환해주는 편리한 기능을 제공합니다.
저는 이 기능을 활용하여 인스턴스의 포인터를 얻어서 주소를 확인할 것입니다.

WWDC 20 Unsafe Swift 중

 

주어진 주소가 힙 영역인지 스택 영역인지 알 수 있는 방법

zsh 명령어를 통해 프로세스의 메모리 영역이 어떻게 구성되어있는지 확인하고,
주어진 주소가 어떤 영역에 포함되는지 판단할 수 있습니다.

힙 영역
vmmap <PID> | grep Malloc
MALLOC_TINY, MALLOC_SMALL, MALLOC_NANO 등의 이름으로 할당 된 것을 확인할 수 있습니다.

 

스택 영역

vmmap <PID> | grep Stack
thread 마다 스택 영역이 할당되었고 각 영역의 주소 범위를 확인할 수 있습니다.

 

주소를 얻는 메서드 구현

func address<T>(of: UnsafePointer<T>) {
      
    let result = String(format: "%018p", of)
    
    print(result)
}

/// String 힙 영역 접근을 위해서 필요!!

func address(with: UnsafePointer<CChar>) {

    let result = String(format: "%018p", with)
    
    print(result)
}

 

Array 확인하기

UnsafePointer<Int> 로 변환하면 힙 영역 주소를 가져올 수 있습니다.
* 추가 정보: Array<T> 는 스택 내 할당되는 사이즈가 항상 8바이트였습니다. (레퍼런스만 저장함을 유추할 수 있습니다)

확인 결과 Array 는 COW 이 작동하는 것을 확인할 수 있었습니다.

 

String 확인하기

이번 학습을 통해 알게된 사실입니다.
String 은 포인터 타입에 따라 다른 주소를 가져옵니다.
UnsafePointer<String> 로 변환하면 스택 영역 주소를 가져옵니다. (const String *)
UnsafePointer<CChar> 로 변환하면 내부적으로 관리하는 힙 영역 주소를 가져옵니다. (const char *)
* 여기서 char * 는 C 에서 문자열 포인터에 해당합니다.

 

확인 결과 String 은 COW 이 작동하는 것을 확인할 수 있습니다.

* 짧은 문자열의 경우 스택 영역만 사용하기 때문에 이 때 얻는 힙 주소는 의미없는 값으로 판단하였습니다.

 

직접 COW 를 구현하기

 

아래 링크에 자세히 나와있어 자세한 내용은 생략합니다.
구현의 핵심은 struct 이 참조타입 속성을 통해 indirect storage 를 가지고,
복사 시 동일한 참조타입 인스턴스를 공유합니다.
이 후 값을 수정할 시 `isKnownUniquelyReferenced()` API 를 통해 참조타입 인스턴스의 참조 개수를 파악합니다.
만약 1개 이상일 경우 그 때서야 독립적인 복사본 인스턴스를 만들고 그 값을 수정합니다.

GitHub - apple/swift: The Swift Programming Language

 

같이 보면 좋은 영상

아래는 위 내용을 잘 이해하기 위해 같이 보면 좋은 영상들입니다.
영상을 직접 보고 학습하는것이 가장 좋습니다.
미흡하지만 제가 정리한 노션 링크를 추가로 남깁니다.

WWDC 16 Understatnding Swift Performance [ 영상 링크 , 노션 링크 ]
WWDC 18 iOS Memory Deep Dive [영상 링크, 노션 링크]
WWDC 20 Unsafe Swift [영상 링크, 노션 링크]

 

같이 보면 좋은 글

 

스위프트 타입별 메모리 분석 실험

 

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