값 타입의 인스턴스는 할당 또는 파라미터로 전달될 때 값이 복사된다. 복사된 인스턴스는 원본 인스턴스와 독립적으로 생성되어 값을 변경하여도 원본 인스턴스는 그대로 유지된다. 이는 의도치 않은 데이터의 변경을 방지할 수 있으며, 멀티 스레드 환경에서 발생할 수 있는 동시성 문제로부터 안전하다.
값 타입은 인스턴스가 언제 사용되고, 사라지는지 컴파일 단계에서 알 수 있기 때문에 Stack 공간에 메모리가 할당된다. Stack은 선형적인 구조이며, 메모리의 할당과 해제가 편리한 자료구조이다. 단순히 Stack 포인터가 가리키고 있는 곳을 줄여서 필요한 메모리를 할당하고, 사용이 끝나면 Stack 포인터를 줄인 곳으로 돌아가서 다시 증가 시켜서 메모리의 할당을 해제한다. WWDC16의 Understanding Swift Performance에 따르면, 이러한 스택의 할당은 모두 O(1)의 시간으로 굉장히 빠르다.
값이 복사되는 과정을 이해하기 위해 아래의 예시를 살펴보자.
Point는 두 개의 Double 타입 프로퍼티를 갖는 구조체이다. point1이라는 인스턴스를 생성하고, 이를 point2에 복사한 뒤 point2.x의 값을 5로 설정한다. 우측의 Stack을 살펴보면 point1과 point2에 대한 독립적인 공간이 할당됐다. 따라서 point2.x의 값이 변경돼도 point1에 반영되지 않는다.
이제 point1과 point2의 사용이 끝나면 Stack 포인터를 점차적으로 증가시켜서 두 인스턴스에 대한 메모리 할당을 쉽게 해제할 수 있다. 만약 값 타입의 데이터가 크다면 복사하는 비용이 부담될 것이다. Swift에서는 Copy-on-Write 매커니즘을 사용해서 값 타입의 복사 비용을 줄이고 있다. 궁금하다면 여기에서 확인해보자.
참조 타입의 인스턴스는 할당 또는 파라미터로 전달될 때 객체를 가리키고 있는 주소 값은 Stack에 할당하고, 실질적인 데이터는 Heap에 할당한다. 모든 인스턴스가 하나의 주소를 가리키고 있기 때문에, 하나의 인스턴스의 값을 변경하면 다른 인스턴스도 마찬가지로 값이 변경된다. 이는 멀티 스레드 환경에서 발생할 수 있는 동시성 문제로 인해 NSLocking과 같은 동기화 매커니즘을 사용하여 무결성을 보호해야 한다. 따라서 Stack에만 데이터를 저장하는 값 타입에 비해 더 많은 비용이 들어가며 속도가 느리다.
참조 타입은 런타임 단계에서 인스턴스의 생명 주기를 알 수 있기 때문에 Heap 공간에 메모리가 할당된다. Heap은 런타임에 크기가 결정되는 인스턴스에 대한 메모리를 동적으로 할당하는 영역이다. 또한 더 이상 사용하지 않는 데이터를 찾기 위해 참조 카운팅을 해야한다. Swift는 ARC가 참조 카운팅을 계산하여 더 이상 사용하지 않는 인스턴스에 대한 메모리를 자동으로 해제하지만, Strong Reference Cycle이 발생하면 weak, unknowed 키워드를 적절히 사용해야 한다.
Point를 구조체가 아닌 클래스로 구현한 코드이다. Stack에는 구조체와 다르게 프로퍼티가 아닌 point1과 point2에 대한 참조를 위해 메모리가 할당된다. 이는 Heap에 할당할 메모리에 대한 참조를 나타낸다. 따라서 Point(x: 0, y: 0)이라는 인스턴스를 생성하면 Swift가 무결성을 위해 Heap을 lock하고 크기에 맞는 메모리 블록을 탐색한다.
크기에 맞는 메모리 블록을 찾으면 Stack의 point1에 대한 참조를 Heap의 메모리 블록의 주소로 초기화한다.