Static Dispatch, Dynamic Dispatch

Static Dispatch, Dynamic Dispatch

Static Dispatch(컴파일 타임), Dynamic Dispatch(런 타임)

여기서 Dispatch 는 직역하면 보내다 라는 뜻인데,
어떤 함수를 호출할것인지 결정 해주는것같다.

swift 에서는 Static Dispatch, Dynamic Dispatch 두가지 방식이 있다.

Static Dispatch(컴파일 타임)

요 방식은 컴파일 타임에 호출될 함수를 결정하고 런타임때에 그대로 실행시킨다.

Dynamic Dispatch(런 타임)

요 방식은 런타임에 호출될 함수를 결정한다.
그렇기때문에 swift 에서 클래스마다 함수 주소값의 배열인 vTable(Virtual Dispatch Table) 을 유지하게된다.

하위 클래스가 메서드를 호출할때 vtable 을 참조하여 실제 호출할 함수를 결정하며 이러한 과정이 런타임에 일어나기 때문에 성능 손해를 보게된다.

class 에서의 vTable

모든 클래스는 vTable 이란걸 가지고있다.

클래스내부의 메서드들의 주소를 vTable 에 넣어 저장하고 있다.

클래스의 상속을 이용해 상위클래스와 하위클래스로 나뉘어졌다면
하위클래스에서의 vTable 에는 상위클래스의 메서드의 주소값을 가지게된다.

하위클래스에서 새로운 메서드를 정의했다면 하위 클래스의 vTable 에는 새로운 주소가 추가된다.

하위클래스에서 상속받은 메서드를 오버라이딩 할 경우 하위클래스의 vTable 에 저장되어있단 상위 클래스의 메서드 주소가 오버라이딩된 메서드의 주소로 변경된다.

그렇기때문에 어떤 메서드를 호출할것인지 런타임시점에 vTable 을 탐색해야한다.
런타임 과정에서 해당 클래스의 vTable 을 찾아 메모리 주소를 읽고 그 주소로 점프 해야하기 때문에 두개의 추가적인 명령이 필요해서 성능상 손해를 보는것이다.

Reference Type 에서의 Dispatch

Reference Type 은 참조타입 즉 class 는 상속의 기능이있다.

그렇기 떄문에 하위클래스(서브클래스)에서 상위클래스의 함수를 호출할수 있기때문에 Dynamic Dispatch 를 사용한다.

예시를 들어보자

class Animal {
   func howuling() {
       print("우워어어")
   }
}

class Cow: Animal {
}

let malrang: Animal = Cow()
malrang.howuling()

위의 예시 코드는 아무런 문제가 없다.

Cow 가 Animal 클래스를 상속받고 있지만 Overriding 하지 않았기 때문이다.

malrang은 Animal타입이고 Cow인스턴스를 가리키고 있을때 malrang이 Animal의 howuling()메서드를 사용하면 무조건 Animal 타입의 howuling()이 호출될것이기 떄문이다.

문제는 상속을 받은후 Overriding 했을때다.

class Animal {
   func howuling() {
       print("우워어어")
   }
}

class Cow: Animal {
   override func howuling() {
       print("음메~")
   }
}

let malrang: Animal = Cow()
malrang.howuling()

위의 예시 코드를 보면 Cow에서 howuling()을 overriding했기때문에 malrang 인스턴스는 Cow 의 howuling() 을 호출 해주어야 한다.

예시 처럼 컴파일러는 클래스의 메서드가 하위클래스에서 Overridng 될 경우를 대비해 상위 클래스의 howuling()을 참조해야하는지 Cow의 howuling() 를 참조해야하는지 확인하는 작업을 런타임에 해주어야한다.

따라서, howuling() 함수는 각 클래스마다 가지고있는 vTable 이란것 안에 함수의주소를 저장하고 실제 런타임 시점에 vTable 을 탐색하여 어떤 메서드가 호출되는지를 결정하게된다.

처음 예시처럼 Overriding 되지 않을수도 있지만 Overriding될 가능성이 있기때문에 무조건 vTable 을 확인해서 참조한다고 할수있다.

Reference Type 을 exension 한경우의 Dispatch

class 를 exension 하여 메서드를 추가한 경우에는
서브 클래스에서 오버라이딩이 불가능하다.

exension 하여 메서드를 추가할때 @objc 키워드를 붙여주면 오버라이딩이 가능해진다!

하지만 일반적으로는 exension 하여 메서드를 추가한경우 오버라이딩이 불가능하기 때문에 이와 같이 추가한 메서드는 Static Dispatch 로 동작하게된다.

Value Type 에서의 Dispatch

Value Type 에는 구조체, 열거형 이있으며 상속이 불가능 하기떄문에 오버라이딩될 가능성이없다.

그렇기 때문에 Static Dispatch 를 사용한다.

struct Animal {
   func howuling() {
       print("우워어어")
   }
}

let malrang: Animal = Animal()
malrang.howuling()

위의 예시처럼 howuling()은 항상 Animal라는 구조체의 howuling()이 호출될것이기 때문이다.

런타임에 vTable을 탐색할 필요가 없음!

Value Type 을 exension 한경우의 Dispatch

상속의 가능성이 없기 때문에 exension(확장)을 해도 Static Dispatch 로 동작함!!

Protocol에서의 Dispatch

프로토콜은 기본적으로는 메서드의 선언부만 제공한다.
실제 사용할때 프로토콜을 참조로만 사용할 경우 해당 인스턴스 타입에 맞는 메서드를 호출해야 해서 Dynamic Dispatch를 사용한다.

protocol Animal {
   func howuling()
}
struct Cow: Animal {
   func howuling() {
       print("음메~")
   }
}
struct Dog: Animal {
   func howuling() {
       print("멍멍")
   }
}
let cow = Cow()
cow.howuling()
let dog = Dog()
dog.howuling()

위의 예시처럼 프로토콜을 활용한경우 cow, dog 인스턴스모두 구조체 내부에있는 howuling()을 호출하기 때문에 Static Dispatch 로 작동되야 하는거 아니야?? 라고 생각할수있다.

아래의 예시도 보자!

protocol Animal {
   func howuling()
}
struct Cow: Animal {
   func howuling() {
       print("음메~")
   }
}
struct Dog: Animal {
   func howuling() {
       print("멍멍")
   }
}
let cow: Animal = Cow()
cow.howuling()
let dog: Animal = Dog()
dog.howuling()

위의 예시처럼 Protocol을 타입으로 사용한경우 class의 예시처럼 Animal 타입 중에 어떤 타입의 의 howuling() 을 호출해주어야 할지 탐색해야하기 떄문에 Dynamic Dispatch를 사용한다.

이때 프로토콜이 갖는 vTable 은 Witness Table라고 한다.

Protocol 을 exension 한경우의 Dispatch

프로토콜은 두가지 경우로 나눠 볼 수 있다.

1. Protocol에 선언만 되어있는 메서드를exension 으로 default메서드를 구현한 경우

protocol Animal {
   func howuling()
}
extension Animal {
   func howuling() {
       print("음메")
   }
}
struct Cow: Animal {
}
struct Dog: Animal {
   func howuling() {
       print("멍멍")
   }
}
let cow: Animal = Cow()
cow.howuling() // 음메
let dog: Animal = Dog()
dog.howuling() // 멍멍

위의 예시를 보면 Cow는 howuling()을 구현하지 않았기 때문에 Animal프로토콜이 default 로 구현해둔 howuling()을 호출하게된다.

dog의 경우 프로토콜이 extension하여 default로 구현해둔 메서드가 있기는 하지만 직접 구현해둔 메서드가 우선순위가 더 높기 때문에 dog의 howuling()이 호출되었다.

그렇기 때문에 어떤 howuling() 메서드를 호출해주어야 할지 단정지을수 없기 때문에 Dynamic Dispatch 로 동작하게된다.

2. Protocol에 선언되어있지 않은 메서드를 exension으로 추가 구현한 경우

protocol Animal {
}
extension Animal {
   func howuling() {
       print("음메")
   }
}
struct Cow: Animal {
}
struct Dog: Animal {
   func howuling() {
       print("멍멍")
   }
}
let cow: Animal = Cow()
cow.howuling() // 음메
let dog: Animal = Dog()
dog.howuling() // 음메

위의 예시처럼 프로토콜에 선언되어있지 않은데 extension 으로 메서드를 추가 구현한 경우 cow 는당연히 구현해둔 메서드가 없으니 프로토콜의 default 메서드가 호출된다.

하지만 dog의 경우는 자기 구조체 내부에 구현했음에도 불구하고 프로토콜의 default 메서드가 호출됐다;;

dog 의 타입이 Animal 이라는 프로토콜의 타입이기 때문이다.
프로토콜에 선언되지 않은 메서드를 extension하여 구현한 경우 해당 타입 내에서 똑같은 메서드를 구현하더라도 해당 프로토콜 타입에선 무조건 extension 으로 구현한 메서드만 실행되기 때문에 이때는 Static Dispatch 로 동작하게된다.

let dog: Dog = Dog()
dog.howuling()

위의 예시처럼 타입을 변경해준다면 처음 예상했던 결과인 "멍멍" 이 출력되게 된다.

위의 예시는 타입이 프로토콜 타입일때만 저렇게 작동한다! 명심하자!

Dispatch 를 이해했으니 성능 최적화를 해보자!

1. final

final 키워드를 사용해 overriding 의 가능성을 제거한다!

overriding 의 가능성이 제거 되었으니 Static Dispatch 로 동작하겠지????

2. private

private 키워드를 사용할경우 참조할수있는 곳이 현재파일에서만 가능하도록 제한된다.

컴파일러는 private 키워드가 참조할수있는곳에서 오버라이딩이 되는지 안되는지를 탐색해보고 오버라이딩 되는곳이 없다면 final 이라고 추론해서 Static Dispath 로 동작하도록 함

3. WMO(Whole Module Optimization)

Xcode 8 부터 자동으로 켜져있는 Xcode 설정중 하나다.

swift 는 컴파일할때 모듈내의 파일을 하나씩 컴파일한다.

그렇기때문에 A파일에있는 타입이 B파일에서 상속되는지 안되는지 컴파일 시점에 알수가 없다.

다른 파일에서 상속 안받고 있다면 자동으로 final 로 추론해주면 좋을텐데 파일이 다르면 상속받는지 안받는지 알수가 없었음.

이러한 문제를 개선하기위해 만들어진게 WMO 다.
파일 하나씩을 컴파일 하는게 아니라 모듈 전체를 확인해서 컴파일한다.
상속되고 있지 않으면 내부적으로 final 을 붙여 Static Dispatch 로 동작하게끔 바꿔준다.

하지만 클래스의 접근제어자가 internal 일때만 가능하며 open 키워드라면 외부모듈에서도 접근할수 있기 때문에 WMO를 사용해도 Dynamic Dispatch로 동작한다

참고 자료

개발자 소들이