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Chapter 29. 메모리 안전

  • 스위프트는 안전을 중요시하는 언어이기 때문에 컴파일러가 코드에서 위험을 줄일 수 있도록 많은 장치를 두었다.
  • 변수를 사용하기 전에 초기화를 강제하고, 해제된 메모리에 접근할 수 없도록 설계하며 메모리를 안전하게 접근할 수 있도록 되어 있다.
  • 스위프트 컴파일러는 메모리 접근 충돌이 생길만한 코드를 미연에 알려준다.

메모리 접근 충돌의 이해

  • 메모리 접근 충돌은 서로 다른 코드에서 동시에 같은 위치의 메모리에 접근할 때 발생한다.
// [ 코드를 통해 메모리에 접근하는 유형 ]

// one이 저장될 메모리 위치에 쓰기 접근
var one: Int = 1

// one이 저장된 메모리 위치에 읽기 접근
print("숫자 출력 : \(one)")

📌 메모리 접근의 특성

  • 💡 메모리 접근 충돌을 일으키는 메모리 접근의 3 가지 특성

    • ✅ 최소한 한 곳에서 쓰기 접근한다.
    • ✅ 같은 메모리 위치에 접근한다.
    • ✅ 접근 타이밍이 겹친다.

    위의 3 가지 조건에 모두 해당하는 메모리 접근이 두 군데 이상의 코드에서 동시에 일어나면 메모리 접근 충돌이 발생

  • 단일 스레드 환경에서는 대부분의 메모리 접근이 순간적 접근이고 동시에 다른 코드에서 접근할 일이 없다.

    // [ 순차적, 순간적 메모리 접근 ]

func oneMore(than number: Int) -> Int {
    return number + 1
}

var myNumber: Int = 1
myNumber = oneMore(than: myNumber)
print(myNumber)
// 2

  • 💡 반면에 장기적 메모리 접근 방식으로 메모리 접근 중일 때는 해당 메모리 접근이 끝나기 전에 다른 코드에서 메모리에 접근할 가능성이 있다.

    • 👉 접근 타이밍이 겹치게 되는 대표적 상황은 함수나 메서드에서 inout을 사용한 입출력 매개변수를 사용하는 경우나 구조체에서 mutating 키워드를 사용하는 가변 메서드를 사용하는 경우이다.

  • 메모리의 같은 위치에 접근하는 여러 접근의 타이밍이 겹친다고 해서 무조건 메모리 접근 충돌이 발생하는 것은 아니지만 대체로 가능성이 매우 크다.

  • 메모리 접근 충돌을 코드에서 정적으로 예측할 수 있는 경우 컴파일러에서 오류로 취급하여 컴파일하지 않는다.

    💡 특정 변수나 상수의 메모리 주소를 알고 싶을 경우 아래 코드 참고

    // 값 타입의 경우
var number: Int = 100
print(Unmanaged<AnyObject>.fromOpaque(&number).toOpaque())

// 참조 타입의 경우
var object: SomeClass = SomeClass()
print(Unmanaged<AnyObject>.passUnretained(object).toOpaque())

입출력 매개변수에서의 메모리 접근 충돌

  • 입출력 매개변수를 갖는 함수는 동작 중 모두 장기적 메모리 접근을 한다.

    • 👉 즉, 함수의 실행과 동시에 입출력 매개변수의 쓰기 접근이 시작되고 함수가 종료될 때까지 쓰기 접근을 유지한다. 쓰기 접근은 함수가 종료될 때 종료된다.
    • 👉 입출력 매개변수를 통한 장기적 메모리 접근 중에는 매개변수로 전달하는 변수는 다른 접근이 제한된다.
    // [ 입출력 매개변수에서의 메모리 접근 충돌 ]

var step: Int = 1

func increment(_ number: inout Int) {
    number += step
}

/*
 👉 step 변수는 increment(_:) 함수의 입출력 매개변수로 전달되었는데
    함수 내부에서 같은 메모리 공간에 읽기 접근을 하려고 시도하기 때문에 메모리 접근 충돌이 발생한다.
 */
increment(&step)    // ❌ 오류 발생!!
    • 이런 경우 새로운 변수를 생성해서 해결할 수 있다. 
      // [ 입출력 매개변수에서의 메모리 접근 충돌 ]

var step: Int = 1
var copyOfStep: Int = step

func increment(_ number: inout Int) {
    number += copyOfStep
}

print(step, copyOfStep) // 1 1
increment(&step)
print(step, copyOfStep) // 2 1

  • 2개 이상의 입출력 매개변수로 같은 변수를 전달하는 상황에서도 메모리 접근 충돌이 발생할 수 있다.

    // [ 복수의 입출력 매개변수로 하나의 변수를 전달하여 메모리 접근 충돌 ]

func balance(_ x: inout Int, _ y: inout Int) {
    let sum = x + y
    x = sum / 2
    y = sum - x
}
var playerOneScore: Int = 42
var playerTwoScore: Int = 30
balance(&playerOneScore, &playerTwoScore)   // 문제 없음
balance(&playerOneScore, &playerOneScore)   // ❌ 오류 발생!!
// 👉 playerOneScore라는 변수의 메모리 위치를 함수가 실행되는 동안 동시에 장기적 메모리 접근을 시도하기 때문에 문제가 발생한다.
// 👉 이 경우에는 컴파일러에서 미리 컴파일 오류로 알려준다.

메서드 내부에서 self 접근의 충돌

  • 구조체의 가변 메서드는 메서드 실행 중에 self에 쓰기 접근을 하기 때문에 메서드의 입출력 매개변수로 전달받은 메모리 위치와 자기 자신(self)에 해당하는 인스턴스의 메모리 위치가 같을 경우 메모리 접근 충돌이 발생할 수 있다.
// [ 게임 캐릭터를 정의한 GamePlayer 구조체 ]

struct GamePlayer {
    var name: String
    var health: Int
    var energy: Int
    
    static let maxHealth = 10
    
    mutating func restoreHealth() {
        // 👉 실행 중 인스턴스 자신인 self에 장기적으로 쓰기 접근을 한다.
        // 👉 restoreHealth() 메서드 내부의 코드 중 인스턴스의 다른 프로퍼티를 동시에 접근하는 코드가 없기 때문에 메모리 접근 충돌이 발생하지 않음
        self.health = GamePlayer.maxHealth
    }
    
    mutating func shareHealth(with teammate: inout GamePlayer) {
        // 👉 다른 캐릭터의 인스턴스를 입출력 매개변수로 받기 때문에 메모리 접근 충돌이 발생할 여지가 있다.
        balance(&teammate.health, &health)
    }
}

var oscar: GamePlayer = GamePlayer(name: "Oscar", health: 10, energy: 10)
var maria: GamePlayer = GamePlayer(name: "Maria", health: 5, energy: 10)

// [ 메모리 접근 충돌이 없는 shareHealth(with:) 메서드 호출 ]
/*
 👉 teammate 입출력 매개변수로 전달된 maria는 shareHealth(with:) 메서드가 실행되는 중에 쓰기 접근을 하고,
    가변 메서드를 실행해야 하는 oscar도 쓰기 접근을 한다. 하지만 서로 다른 메모리 위치에 있기 때문에 접근 충돌이 발생하지 x
 */
oscar.shareHealth(with: &maria)

// [ 메모리 접근 충돌이 발생하는 shareHealth(with:) 메서드 호출 ]
/*
 👉 teammate 입출력 매개변수로 전달받은 메모리 위치와 oscar 인스턴스의 메모리 위치는 같은 곳이기 때문에
    동시에 쓰기 접근을 하면 메모리 접근 충돌이 발생한다.
 */
oscar.shareHealth(with: &oscar) // ❌ 오류 발생!!

프로퍼티 접근 중 충돌

  • 구조체, 열거형, 튜플 등은 값 타입이다. 값 타입에서 자신의 인스턴스 내부 프로퍼티를 변경한다는 것은 자신 스스로의 값을 변경한다는 의미로 볼 수 있다.

    • 👉 프로퍼티에 읽고 쓰기를 위한 접근을 하는 것은 인스턴스 자신 전체에 대한 읽고 쓰기 접근 권한이 필요하다는 뜻으로도 생각할 수 있다.

  • 📌 예시 코드

    • balance(_:_:) 함수의 두 매개변수는 모두 입출력 매개변수이므로 함수가 실행 중이면 두 매개변수 모두 쓰기 접근을 한다.
    • oscar의 프로퍼티인 health를 매개변수로 전달하면 oscar 인스턴스 자체의 값이 변경될 것을 의미하므로 oscar 인스턴스 자체에 쓰기 접근을 해야 한다.
    • 두 번째 입출력 매개변수로 전달한 oscar의 energy 프로퍼티도 마찬가지로 oscar 인스턴스의 쓰기 접근을 해야 하므로 두 접근이 충돌할 수밖에 없다.
    // [ 프로퍼티 접근 중 메모리 접근 충돌 ]

balance(&oscar.health, &oscar.energy)

  • 위의 📌 예시 코드는 oscar가 전역변수일 때의 이야기이기 때문에 유사한 상황이 발생할 일은 많지 않다.

    • 💡 만약 oscar가 지역변수 라면
      • 👉 아래 코드에서의 oscar는 someFunction() 함수 안에서만 사용하는 변수기 때문에 다른 위치의 코드에서 접근할 일이 없다.
      • 👉 함수의 두 입출력 매개변수로 oscar의 두 프로퍼티를 전달했음에도 불구하고 지역변수로 쓰이던 oscar는 현재 함수 안에서 순차적으로 실행될 코드 외의 영역에서 접근할 코드가 없기 때문에 다른 코드에서 oscar의 메모리 위치에 접근하여 문제가 발생할 여지가 없다.
      • 👉 이런 상황에서는 컴파일러는 오류로 취급하지 않는다.
      // 전역변수와 지역변수의 메모리 접근의 차이

func someFunction() {
    var oscar: GamePlayer = GamePlayer(name: "Oscar", health: 10, energy: 10)
    // 👉 balance(_:_:) 함수 안에서만 oscar의 메모리 위치에 접근하기 때문에 문제될 것이 없다.
    balance(&oscar.health, &oscar.energy)
}

  • 메모리 안전 때문에 구조체의 프로퍼티 메모리에 접근하는 타이밍이 겹치는 것을 무조건 제한해야 하는 것은 아님.

  • 💡 다음의 3개 조건을 충족하면 구조체의 프로퍼티 메모리에 동시에 접근하더라도 안전이 보장된다.

    • 👉 연산 프로퍼티나 클래스 프로퍼티가 아닌 인스턴스의 저장 프로퍼티에만 접근
    • 👉 전역 변수가 아닌 지역 변수일 때
    • 👉 클로저에 의해 획득(Captured) 되지 않았거나, 비탈출 클로저에 의해서만 획득 되었을 때

  • 위의 세 조건을 충족하지 않는 경우에는 컴파일러가 안전을 담보할 수 없기 때문에 접근을 제한하도록 오류로 취급한다.