WWDC24) Swift의 성능 살펴보기

c언어 : 로컬 변수 스택에 할당, 힙 할당은 호출을 하는 경우에만 이루어짐.

 

func main(args: [String]) {
  let arr = args.map { Int($0) ?? 0 }
}

- swift 는 안정성 때문에 그렇게 간단하진 않음.

- 대신 다양한 추상화 기능, 클로저, 제네릭 등 지원.

 

 

 

🧠 1. 성능이란 무엇인가?

• 성능은 단일 지표로 측정할 수 없으며, 다차원적이고 맥락에 따라 다름.
• 보통은 거시적인 차원에서 성능을 다룸. 앱 중단, ui 반응 느림 등등.. 
• 일반적으로 하향식 분석 도구 (예: Instruments)로 병목을 찾고, 로우 레벨까지 내려가는 경우는 드묾.
• 하지만 알고리즘은 최적화했지만 여전히 느릴 때, 코드가 실제로 어떻게 실행되는지 이해해야 함.

 

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⚙️ 2. Swift 로우 레벨 성능에 영향을 주는 4대 요소

- swift 에는 powerful optimizer가 있음.

- compiler가 효과적으로 제거해주기 때문

- 최적화에는 한계가 있음.

 

1. 함수 호출 비용 (Function calls)

• 네 가지 비용:
  1. 인수 전달
  2. 호출 함수 주소 결정
  3. 로컬 상태 저장할 공간 할당
  4. 최적화 제한

• 정적 디스패치가 가장 효율적 (컴파일러 최적화 가능). 컴파일 타임에 다양하게 인라인 처리나 제네릭 구체화처럼 최적화 이루어짐
• 동적 디스패치는 다형성을 제공하지만 성능 비용 있음. 

프로토콜 유형의 값을 업데이트하는 호출

 

- 메인 바디 안에 선언된 경우 : 프로토콜 요구사항, 동적 디스패치 사용

- 프로토콜 확장 안에서 선언된 경우 : 정적 디스패치를 사용

- 프로토콜 메서드는 동적, 프로토콜 확장 메서드는 정적 디스패치.

 

 

 

- 함수가 실행되려면 메모리가 필요함. 일반적인 동기 함수이므로 이 메모를 c스택에 할당. 

- 스택 포인터에서 할당할 공간만큼 빼면 됨. call frame이라는 공간에 함수가 실행될 공간이 할당됨.

- 함수 반환 전에 208 공간 만큼 다시 더해서 할당한 메모리를 해제함.

 

callframe에 모든 것을 넣는게 가장 좋은 이유는 컴파일러가 함수 시작 시 항상 스택 포인터에서 값을 빼 공간을 확보하기 때문

 

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2. 메모리 할당 비용 (Memory allocation)

 

• 세 가지 주요 메모리 종류:
  • 글로벌: 비용 거의 없음 (프로그램 전체 지속)
  • 스택: 빠르고 간단, 함수 스코프 내 사용
  • 힙: 가장 유연하지만 할당/해제 비용 큼

프로그램 로드시, 할당되고 초기화된다. 단점 : 고정된 크기의 메모를 사용하는 특정 패턴에서만 사용가능 프로그램 실행동안 메모리 유지, 글로벌 변수와 정적 멤버 변수에만 적합

비용이 적지만, 특정 패턴에만 사용 가능. 메모리의 범위가 한정되어야 함. 현재 함수의 특정 지점부터는 행당 메모리가 더 이상 사용되지 않도록 해야함. 일반적인 로컬변수에 적합

가장유연, 언제든지 할당 가능. 이후 언제든지 해제 가능. 유연성 때문에 비용은 큼. 클래스 인스턴스 자주 사용됨. 정적 수명 제한 불분명. 다른 메모리를 사용하기 어려울 때

 

• 메모리가 소유권을 공유, 같은 메모리를 여러 레퍼런스가 개별적으로 참조
• reference counting으로 할당의 수명 관리
• retain : 레퍼런스 카운트 늘리는 것
• release : 레퍼런스 카운트 줄이는 것
• Swift에서 객체(클래스)는 힙에 할당되고 **참조 카운팅(ARC)**으로 메모리 관리.

 

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3. 메모리 표현 (Memory Layout)

값의 표현 : 메모리에 값이 배열되는 방식. 변수 array는 메모리의 이름으로 버퍼 객체에 대한 레퍼런스를 가지며 이는 두 double값의 표현으로 초기화되어 있다.

• Memory Layout : 인라인 표현 측정 - 8바이트, 64비트 포인터 하나의 크기

• 구조체/튜플: 인라인 표현(inline representation) 사용 → CallFrame에 직접 저장됨 
• 클래스/배열: 외부(힙) 표현 → 포인터로 접근
• 구조체는 속성까지 재귀적으로 복사됨

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4. 값 복사 비용 (Value copying)

 

• Swift는 값의 소유권을 명확히 관리:
  • 소모(consume) → 소유권 이전
  • 변경(mutating) → 일시적으로 소유권 획득
  • 대여(borrow) → 읽기 전용 접근
• Copy-on-Write(COW) 전략: 배열, 딕셔너리, 문자열 등은 변경 전까지 힙 공유 

단순히 기존 변수 참조 독립된 값을 얻으려면 값 복사 해야됨. 값의 버퍼 소유권 획득

consume 연산자로 명시적 요청 가능

mutating : 변수의 소유권을 메소드에게 넘겨줌.

 

borrowing : 그저 읽고 싶을 때, 인수 전달 사례

방어적으로 복사

 

 

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🔄 성능 최적화 관련 전략

• 복사 최소화: 대규모 구조체는 복사보다 참조로 설계
• consume 명시: 소유권 이전을 명확하게 나타내 성능 최적화
• 값 의미 유지: 구조체를 권장, 클래스는 외부 표현으로 참조 의미
• 힙 할당 최소화: 가능하면 인라인 표현 사용

Foundation URL : 컴파일 타임에 알려지지 않은 것으로 취급

제네릭 유형의 매개변수 : 어떤 가능한 표현의 어떤 유형으로든 대체 될 수 있어야함.

예외 : 유형 매개변수가 특정 클래스로 제한되면 클래스 유형의 표현을 가져야한다?

 

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📦 비동기 함수 처리 방식

• 비동기 함수는 일반 C 스택 대신 자체 스택(슬랩)을 사용
• 런타임에 **부분 함수(partial functions)**로 나뉘며 await 구간 기준으로 나뉨
• 실행 중 하나의 부분 함수만 스택에 올라가 있음

 

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🧩 클로저 처리 방식

• 클로저는 함수 포인터 + 컨텍스트 포인터로 구성

• 탈출 불가능한 클로저는 스택에 컨텍스트 저장 → 빠름

• 탈출 클로저는 힙에 저장 + 소유권 획득 → 비용 발생 (호출 안에서만 사용될지 알 수 없으므로)

• 클로저가 캡처한 로컬 변수도 힙에 이동됨

 

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🧬 제네릭 & 프로토콜 성능

• 제네릭 함수는 컴파일 타임에 특수화 가능 → 성능 좋음
• AnyDataModel[] 같은 프로토콜 타입 배열은
  • 값 저장 공간, 유형 정보, witness table 등을 포함
  • 인라인 or 힙 저장 결정은 런타임에서 수행
• 유연성은 늘지만 최적화 어려움 → 성능 저하 가능

 

제네릭 타입 vs 프로토콜 타입 사용 시 성능 차이

Swift에선 update(model:) 같은 데이터 모델 처리 함수를 두 가지 방식으로 만들 수 있습니다:

① 제네릭 타입을 사용하는 함수

func update<T: DataModel>(models: [T]) { ... }

 

• 특징:
  • T는 하나의 타입만 사용됨 (예: 모두 MyDataModel).
  • T에 대한 타입 정보는 컴파일 타임에 고정됨.
  • 옵티마이저가 이 타입에 맞춰 인라인 최적화 가능.
  • 함수는 효율적으로 실행됨.

✅ 빠름, 메모리 구조도 예측 가능, 컴파일러가 최적화 잘해줌

 

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② 프로토콜 타입 배열을 사용하는 함수

func update(models: [any DataModel]) { ... }

 

• 특징:
  • 배열의 각 요소가 서로 다른 타입일 수 있음.
  • 예: MyDataModel, OtherDataModel 혼합.
  • 실행 시 각 요소의 실제 타입을 매번 확인해야 함.
  • Swift는 내부적으로 함수 포인터 테이블(witness table) 을 사용해 동작.
  • 성능 최적화 어렵고, 메모리도 덜 효율적으로 사용됨.

⚠️ 유연하지만 느릴 수 있음, 메모리 구조가 제각각, 최적화 어렵다

 

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📦 Swift 내부 동작 방식 비교

구분	제네릭 타입 (T: DataModel)	프로토콜 타입 (any DataModel)
타입 결정 시점	컴파일 타임	런타임
함수 최적화	가능 (인라인/특수화)	어려움
배열 구조	타입 하나로 조밀하게 구성됨	각 요소가 다르면 메모리 단편화 발생
성능	빠름	느릴 수 있음
유연성	낮음	높음

 

 

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💡 Swift는 어떻게 저장하나?

 

• Swift는 any Protocol 타입을 사용할 때,
  • 작으면 버퍼에 직접 저장 (인라인)
  • 크면 힙에 저장하고 포인터만 유지

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🧠 결론 및 조언

 

• ✅ 성능이 매우 중요하면 제네릭 함수를 사용하세요.
• ✅ 여러 타입을 다뤄야 할 때는 프로토콜 타입이 필요합니다.
• ❌ 하지만 “프로토콜은 느리다, 쓰지 말자”는 오해입니다.
• → 추상화는 비용이 있지만, 유지보수성과 유연성을 위해 쓸 가치가 있어요.

 

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🗣️ 한마디 요약

 

제네릭은 빠르고, 프로토콜은 유연하다.

상황에 따라 성능과 유연성 사이에서 균형을 잡는 것이 중요하다.

 

 

🧠 결론 & 조언

• 추상화는 비용을 동반하지만 필요한 경우 정당화됨
• 추상화를 무조건 피하기보다 성능에 영향을 줄 수 있는 요소로 인식하자
• Swift 성능에 대한 직관을 기르면 실제 앱 최적화에 큰 도움

 

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📚 참고 키워드

 

• ARC (Automatic Reference Counting)
• Copy-on-Write (COW)
• CallFrame / Memory Slab
• 정적 vs 동적 디스패치
• consume, mutating, borrow 동작
• Swift 프로토콜 witness table
• 비동기 함수 분해 (partial functions)