iOS에서 메모리 사이즈와 관련된 개념과 고려 사항에 대해 설명해주세요.

[Hminchae]

• iOS 디바이스의 메모리 제약과 앱 메모리 제한에 대해 설명해주세요.
• 메모리 워드(word) 크기와 데이터 정렬(alignment)이 메모리 액세스 성능에 미치는 영향에 대해 설명해주세요.
• 포인터 크기(32비트, 64비트)에 따른 메모리 사용량 차이와 고려 사항에 대해 설명해주세요.
• iOS 앱에서 대용량 데이터를 다룰 때 메모리 사이즈를 고려한 최적화 방안에 대해 설명해주세요.

[Hminchae]

💡 메모리 기초

메모리와 관련하여 기초적인 용어와 개념을 먼저 정리하고 넘어가보겠음. 아래 내용은 WWDC18의 Memory Deep Dive 내용을 많이 포함하고 있음..

메모리 용어

1. virtual memory
   • 운영체제에서의 가상메모리
   • 하드웨어 RAM을 물리적 메모리라고 한다면, 이 물리적 메모리가 부족해서 디스크 공간도 같이 사용하는 방법임
   • 즉, 메모리가 디스크의 공간을 사용하는데 마치 디스크 공간을 가상 메모리처럼 사용하는 것 (단, 캐싱및 페이징을 통해 자주쓰는 데이터를 파악하여 디스크에서 메모리로 올리며 이런 것들을 통해 그냥 디스크만 쓰는 것보다 빠른 것)
   • virtual memory = clean memory + dirty memory

     • 

     • process가 계산을 하다가 메모리에서 데이터를 찾는데, 이 때 virtual memory 라는 것을 두고 virtual memory 에서는 RAM과 disk 공간을 바라봄

     • virtual memory 부분을 적절한 단위로 나누게 되는데, 이것을 Page 라고 함

     • 이 분할된 공간에 접근하려면 분할된 공간의 주소가 Page Table이라는곳에 저장되고 RAM은 이 Page Table을 보고 디스크 공간에 접근

     • 

     • page out: 물리메모리에 page에 대응하는 데이터가 없어서, 물리메모리에 있는 어느 한 page와 disk에 있는 page랑 swap 해야하는데, 이 때 물리메모리에서 사용하지 않은 공간을 내준다는 의미로 page out이라 함

     • page in : 위에서 page out 되면서 반대로 디스크 입장에서는 swap 될 때 보내는 page를 의미

2. dirty memory 와 clean memory
   • clean memory : 값이 변경되지 않은 깨끗한 메모리
     • 새로운 데이터를 쓰기 위하여 사용
     • page out 될 수 있는 공간
     • 아직 물리 메모리에서 사용되지 않아서 디스크로 언제든지 보낼 수 있어 여유공간을 의미함
   • dirty memory : 값이 변경되어 더러운 메모리
     • page out 될 수 없는 이미 수정된 데이터 영역
     • 쓰기 작업이 발생했기 때문에 다시 읽을 필요가 있거나, 변경된 내용을 디스크에 반영해야 할 때 사용
     • 힙, 싱글톤 등 인스턴스들이 스택으로 채워진 메모리
       ex) 배열을 선언하고 특정 인덱스에 값을 할당하면, 그 인덱스 영역은 이미 사용했으므로 page out이 불가능한 영역
       
3. compressed memory
   • 가상 메모리를 사용하면 결국 디스크까지 가느라 I/O 작업으로 인하여 속도가 저하될 수 있어, WWDC 2013에서 디스크까지 굳이 가지 않고 RAM을 먼저 최적화 하는 방식인 compressed memory를 발표했음 -> 메모리 효율성
   • 동작원리
     • 시스템의 메모리가 채워지기 시작하면, compressed memory는 메모리에서 가장 최근에 사용된 항목을 자동으로 압축하여 원래 크기의 반으로 압축함
     • 만약, 이 압축된 데이터들이 필요할 때 compressed memory가 즉시 압축 해제를 시도함
   • 효과
     • 가상메모리 사용 시, disk에서 swap 하는 비용을 최소화
     • 메모리 압축은 물리적 메모리의 사용을 최적화 하면서도 전력 소모를 최소화하게 됨
   • 압축률은 50퍼센트 이상이며 하나의 페이지를 압축하는데 백만분의 수 초가 수요됨
   • 더 알아보고 싶으면 여기참고
4. swapped memory
   • 물리 메모리가 가득 찬 상태에서 더 많은 공간이 필요한 경우, 디스크 공간을 이용하여 부족한 메모리를 대체할 수 있는 공간
5. resident memory(resident size)
   • RAM에 올라온 데이터들, 즉 실제 사용되어지는 데이터들을 의미

iOS의 Memory Footprint

앱에서 메모리가 필요하면, 시스템에서 메모리 페이지를 줌(페이징). 이 페이지에는 여러 객체들이 저장되고, 큰 용량의 객체는 여러 페이지에 걸쳐 존재할 수 있다. 한 페이지는 16KB 정도이고, 각 페이지는 write 한 적이 있는지에 따라 앞서 살펴본 clean memory 와 dirty memory 로 나뉘게 됨

한 앱의 전체 메모리 사이즈는 이렇게 계산됨

• 앱의 메모리 사용량 = page 수 * 페이지 크기(16K)
• 
• 일반적으로 앱의 메모리는 이렇게 세 부분으로 나누어짐
• 
• 앱이 할당받을 수 있는 메모리 Footprint에는 제한 한도가 존재하고, 이 한도치를 넘어가면 EXC_RESOURCE_EXCEPTION 발생 -> 다음주제에서 계속

iOS의 메모리 관리

1. didReceiveMemoryWarning() 핸들링

   // AppDelegate.swift 
   func applicationDidReceiveMemoryWarning(_ application: UIApplication) {
    
   }

   • iOS7 이후 Compressed Memory를 사용하여 이전보다 더 많은 메모리를 사용할 수 있고, 메모리 해제가 복잡하게 되었는데 이 영향에 의하여 메모리 경고 처리가 필요함
   • 메모리 경고가 발생할 때 잠시 아무것도 캐싱하지 않거나, 일부 백그라운드 작업을 제한하는 작업을 권장
   • cashe.removeAllObjects()를 사용하여 캐싱을 제거하는게 가장 간편한 방법이라 함
2. 메모리 프로파일링 툴 사용

   1. Xcode memory graph debugger

      • 
      • 이 방법은 비추라함. WWDC2018에 따르면 Xcode에서 앱을 실행하면 더 많은 메모리를 소비하여 정확한 측정이 어렵다고..

   2. Instrument로 메모리 누수 확인하기

      • 

      아래 같은 시퀀스로 메모리 누수를 확인하고 문제를 해결할 수 있다

      1. 문제 발견: instruments-memory leak 으로 메모리 릭이 발생하는 구간 확인
      2. 문제가 발생한 곳 찾기: instruments, memory graph 디버깅
      3. Xcode 로 메모리 릭이 발생한 이벤트 2차 검증: View memory graph hierarchy 의 Backtrace 에서 문제의 함수를 클릭하면 코드를 볼 수 있다.
      4. 문제의 함수를 break point 로 디버깅하여 정확한 문제 진단
      5. 문제 해결
      6. 해결되었는지 확인: instruments-memory leak 으로 다시 테스트

   3. Command Line Tool 도 사용 가능하당..

      • 
      • 이런식으로 가능하다는데 자세한건 여기를 참고하자..

💡iOS 디바이스의 메모리 제약과 앱 메모리 제한에 대하여

만약 앱이 메모리를 너무 많이 사용한다면 iOS는 경고를 보낸다.. crash report 형태의 notifications를 받을 수 있는데 이 리포트는 앞서 적혀있던 EXC_RESOURCE exception type과 MEMORY subtype 등을 포함하는데 앱 메모리가 거의 한계에 이르렀다는 걸 알려준다. 근데 이건 메모리 사용 문제를 발견했다는거지 앱이 종료 되지는 않는다. 메모리 제한은 디바이스에 따라 다르고 앱이 이 제한을 초과하면 iOS가 앱을 완전 종료 시킨다.

WWDC 피셜 메모리 제한에 관한..

• 디바이스별로 메모리 한계치가 다르다..
• Extensions는 더 낮은 한계치를 가지고 있고
• 이 한계치들을 넘을때 EXC_RESOURCE exception이 에러로 나오게 됨

디바이스별 메모리 제약

각 디바이스별로 앱에서 사용할 수 있는 최대 메모리를 스택오버플로우에서 정리해 놓았길래 가져옴

• 여기에서 메모리 워닝과 크래쉬 한도를 찾을 수 있고 도움을 주는 소스를 확인할 수 있음

💡메모리 워드(word) 크기와 데이터 정렬(alignment)이 메모리 액세스 성능에 미치는 영향에 대해 설명해주세요.

메모리 워드 크기

• CPU가 한번에 처리하는 데이터 크기
• 2013 이후 MAC은 64bit

데이터 정렬

• 메모리에서 데이터가 정렬되고 액세스되는 방식
• 데이터 정렬, 데이터 구조 패딩(padding), 패킹(packing) 과 같은 세 가지 개별적인 관련 문제로 구성
• 최신 CPU는 데이터가 자연스럽게 정렬 (naturally aligned) 될 때(일반적으로 데이터 주소가 데이터 사이즈의 배수일 때) 메모리에 대한 읽기 및 쓰기를 가장 효율적으로 수행할 수 있음
• 데이터 얼라인먼트는 정렬되는 요소가 자연 정렬(natural alignment) 을 따르는 것을 의미..자연 정렬을 보장하기 위해 구조 요소(structure elemetns) 사이에 또는 구조의 마지막 요소(the last element of a structure) 뒤에 패딩(padding)을 삽입해야함

💡포인터 크기(32비트, 64비트)에 따른 메모리 사용량 차이와 고려 사항에 대해 설명해주세요.

포인터 크기

포인터의 크기는 운영체제의 bit수에 따라 달라짐

• 32bit 시스템의 포인터 크기: 4 byte
• 64bit 시스템의 포인터 크기: 8 byte

포인터 크기 원리

• 포인터 = 메모리 위치를 가리키기 위한 주소를 담는 변수
• 32bit 라면 cpu의 메모리 접근을 위한 주소가 32비트만큼 가능하기 때문에 포인터도 32bit(4바이트)가 됨
• 반면 64bit 라면 cpu의 메모리 접근을 위한 주소가 64bit만큼 가능하기 때문에 포인터도 64bit(8byte)가 됨

💡iOS 앱에서 대용량 데이터를 다룰 때 메모리 사이즈를 고려한 최적화 방안에 대해 설명해주세요.

이미 동호님과 창준님이 아래 이슈에서 정리해주셨기 때문에 넘어가겠음

• iOS 앱의 메모리 사용량 최적화를 위한 방안과 고려 사항에 대해 설명해주세요. #9
• iOS에서 자동 참조 카운팅(ARC)과 가비지 컬렉션(Garbage Collection)의 차이점에 대해 설명해주세요. #6

📝 참고

• 김종권님의 iOS 메모리 시리즈
  • iOS 메모리 기초개념
  • iOS 메모리 운영체제 기초
  • 페이징, Compressed 메모리
  • Memory Footprint 프로파일링 방법
• 앱에서 너무 많은 메모리를 사용하면 어떻게 될까?
• 메모리 얼라인먼트