Swift Structures and Classes

1. Comparing Structures and Classes 👩‍💻

일반적으로 프로그래밍 언어에서 Class 하나에 파일 하나가 필요하다. 하지만 Swift 는 파일 하나에 여러 개의 Classes 와 Structures 를 정의할 수 있으며, 외부 인터페이스는 다른 Class 나 Structure 가 사용할 수 있도록 자동으로 제공된다.

이는 전통적으로 프로그래밍 언어에서 Class의 instance는 Object인 반면, Swift 의 Structures와 Classes는 다른 언어와 비교해 Functionality에 가깝다.

1. Commons Structures and Classes

• Define properties : 값을 저장
• Define methods : 기능을 제공
• Define subscripts : Subscript Syntax를 이용해 값에 접근
• Define initializers : 초기 상태를 설정
• Be extended : 기본 구현 이상으로 확장
• Conform to protocols : 특정 종류의 표준 기능을 제공

2. Class Only Features

• inheritance : 다른 Class의 특성을 inherit (Structure 와 Protocol 은 다른 Protocol 을 adopt 하는 것만 가능하다.)
• Runtime 때 class instance 의 타입을 해석(interpret)하고, type casting 이 가능하다.
• deinitializers : class instance 에 할당된 자원을 해제
• Reference counting : class instance 에 참조를 허용 (Structure 는 Value Types 로 항상 Copy 되므로, Reference counting 을 사용하지 않는다.)

Class가 제공하는 추가 기능은 복잡성을 증가시킨다. 따라서 general guideline 에 따르면, Class 를 사용하는 것이 꼭 필요하거나 더 적합한 경우가 아니면 일반적으로 추론하기 쉬운 Structure를 선호해야한다고 말한다. 이는 우리가 만드는 대부분의 Custom Data Types 는 Structure 또는 Enumeration 으로 되어야 함을 의미한다.

3. Choosing Between Structures and Classes

이에 대해 애플은 아래 글을 통해 다음과 같이 이야기한다.

Choosing Between Structures and Classes

1. 기본적으로 Structure 를 써라
2. Objective-C와 상호 운용이 필요하면 Class 를 써라
3. 앱 전체에서 데이터의 identity 를 제어해야한다면 Class 를 써라
4. 공유 implementation(구현체) 를 적용하기 위해 Structure 와 Protocol 을 써라

위 3, 4번에 대해 좀 더 자세히 설명해보자.

3 ) 앱 전체에서 데이터의 identity 를 제어해야한다면 Class 를 써라

두 개의 서로 다른 class instance 는 서로 같은 properties 를 갖고, 저장된 값 역시 동일하더라도 identity operator(==)(동일 메모리 주소를 가졌는가?)에 의해 서로 다른 것을 확인할 수 있다.

즉, class instance 를 앱 내에서 공유하면, instance 의 변경 사항이 해당 instance 를 참조하는 모든 곳에 공유됨을 의미한다. 이런 identity가 필요한 예는 다음과 같다.

• file handles
• network connections
• CBCenterManager와 같은 shared hardware intermediaries

예를 들어 로컬 데이터베이스 연결을 다루는 코드는 앱 전역에서 데이터베이스를 완전히 제어해야한다. 따라서 이 경우 Class 를 사용하는 것이 적합하다. 단, 앱에서 shared database object 에 접근할 수 있는 영역은 제한해야한다.

Class 를 사용하는 것은 앱 내에서 identity 를 광범위하게 공유한다는 것을 의미하며, 이는 논리 오류가 발생할 가능성을 높인다. 따라서 identity 를 제어할 필요가 없다면 Structure 를 사용하는 것이 적합하다.

4 ) 공유 implementation(구현체) 를 적용하기 위해 Structure 와 Protocol 을 써라

Class 는 Class Inheritance와 Adopt Protocol을 지원한다. Structure 와 Protocol 은 Adopt Protocol만 지원한다.

그러나 Structure와 Protocol 만으로도 충분히 Class Inheritance 와 같은 inheritance hierarchies(상속 계층)의 구현이 가능하다.

inheritance 관계를 설계할 때 처음부터 Protocol을 사용하는 것이 좋다. Class 를 상속할 수 있는 것은 Class 로 제한되지만, Protocol은 Class 뿐 아니라 Structure, Protocol 까지 모두에게 채택을 허용하기 때문에 모델링이 훨씬 더 유연해진다.

만약, Class 에서만 유효해야하는 상속을 구현할 때, Class Inheritance 대신 Class-Only Protocols 를 사용할 수 있다.

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2. Definition of Structures and Classes 👩‍💻

1. Definition Syntax

struct SomeStructure {
    // structure definition goes here
}
class SomeClass {
    // class definition goes here
}

• Structure는 앞에 struct 키워드를 붙여 정의한다.
• Class는 앞에 class 키워드를 붙여 정의한다.

새 Structure 나 Class 를 정의할 때마다 new Swift Type을 정의하는 것이다. Enumeration을 정의할 떼 이것이 Swift 의 다른 Types와 마찬가지로 이름을 대문자로 시작했다. Structure 역시 동일하게 대문자로 시작한다.

반면 Properties와 Methods는 Type Names(Structures, Classes 의 이름)과 구분을 위해 소문자로 시작한다.

2. Structure and Class Instances

다음 코드는 Swift 에 Resolution과 VideoMode라는 새 Types를 만들어낸다.

struct Resolution {
    var width = 0
    var height = 0
}
class VideoMode {
    var resolution = Resolution()
    var interlaced = false
    var frameRate = 0.0
    var name: String?
}

Syntax for Creating instance

let someResolution = Resolution()
let someVideoMode = VideoMode()

Structure 와 Class 둘 다 new instance 를 생성하기 위해 initializer를 사용하며 Syntax 는 유사하다.

3. Accessing Properties

1 ) Get Properties

instance 의 properties 에 접근하는 가장 쉬운 방법은 dot Syntax를 사용하는 것이다. instance 이름 뒤에 .을 붙이고, 그 뒤에 property 이름을 적는다.

print("The width of someResolution is \(someResolution.width)")
// Prints "The width of someResolution is 0"

dot Syntax 를 이용해 subproperties에 drill down해 내려가는 것도 가능하다. 다음은 VideoMode instance 의 resolution property 에 접근해 subproperty 인 width 로 drill down 해 내려간다.

// drill down into subproperties
print("The width of someVideoMode is \(someVideoMode.resolution.width)")
// Prints "The width of someVideoMode is 0"

2 ) Set Properties

dot Syntax 를 이용해 properties 에 접근하는 것은 물론, variable 에 값을 할당할 수 있다.

someVideoMode.resolution.width = 1280
print("The width of someVideoMode is now \(someVideoMode.resolution.width)")
// Prints "The width of someVideoMode is now 1280"

someResolution.width = 1600 // Cannot assign to property: 'someResolution' is a 'let' constant

하지만 Structure 의 경우 Properties 를 var로 선언했음에도 instance 자체를 let 으로 선언하면 값을 할당하려 할 때 에러가 발생한다.

이는, Class 는 Reference Type으로 instance 를 let으로 선언했다 하더라도 변경하려는 실제 Value에 해당하는 Properties 는 var로 선언되어 mutable한 반면, Structure 는 Value Type으로 let으로 선언된 instance 그 자체가 immutable하기 때문이다.

따라서 Structure 의 경우 Properties 를 수정하려면 instance 역시 var로 선언해야한다.

var anotherResolution = Resolution()
anotherResolution.width = 1600
print("The width of anotherResolution is now \(anotherResolution.width)")
// Prints "The width of anotherResolution is now 1600"

4. Memberwise Initializers for Structure Types

let resolutionTypeA = Resolution(width: 5120, height: 2880)
print(resolutionTypeA)  // Resolution(width: 5120, height: 2880)

let resolutionTypeB = Resolution(width: 2560)
print(resolutionTypeB)  // Resolution(width: 2560, height: 0)

let resolutionTypeC = Resolution(height: 1440)
print(resolutionTypeC)  // Resolution(width: 0, height: 1440)

Structures 는 Classes 와 달리 Mmeberwise Initializers를 가질 수 있으며 자동 생성되는 조건은 다음과 같다.

• 존재하는 Initializers가 하나도 없다

Default Initializers 는 존재하는 Initializers 가 없고, default value를 가지고 있어야한다.
하지만 Mmeberwise Initializers 는 default value 는 가지고 있지 않아도 무관하다. 단지 존재하는 Initializers 가 하나도 없으면 된다. default value 의 존재 유무에 따라 자동으로 생성되는 Mmeberwise Initializers 의 개수만 달라질 뿐이다.

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3. Structures and Enumerations Are Value Types 👩‍💻

1. Characteristics of Value Types

Value Type은 Variable 또는 Constant 에 assign 될 때, 그리고 함수에 전달될 때 전체가 copy된다.

Swift 의 모든 기본 타입들, integers, floating-point Numbers, Booleans, strings, arrays, dictionaries 는 모두 Value Types으로 Structures 로 구현되어있다.

Standard Library에 의해 정의된 Array, Dictionary 그리고 String 과 같은 Collections 역시 Structures 로 구현되어 있으므로 Value Types다.

하지만 다른 Value Types 와 다르게 performance cost of copying을 줄이기 위해 optimiaztion을 사용한다. 따라서, Value Types 가 즉시 copy 를 하는 것과 다르게 copies 에 수정이 발생되기 전에는 Reference Types 처럼 original instance와 copies가 메모리를 공유한다.

이후 copies 중 하나에 수정이 발생하면, 수정이 되기 직전에 실제 copy가 이루어진다. 즉, copies에 수정이 발생되기 이전에는 Reference Types처럼 작동하고, 수정이 발생되는 순간 Value Types처럼 작동하기 때문에 코드상으로는 즉시 copy가 이뤄지는 것처럼 보인다.

Standard Library - Array

반면, Foundation에 의해 정의된 NSArray, NSDictionary 그리고 NSString 과 같은 Classes Bridged to Swift Standard Library Value Types는 Classes 로 구현되어 있으므로 Reference Types다.

Foundation - NSArray, Classes Bridged to Swift Standard Library Value Types

2. Structures

let hd = Resolution(width: 1920, height: 1080)
var cinema = hd

상수 hd structure 를 만들고, 이를 cinema 변수에 복사했다.

cinema.width = 2048

이제 cinema 의 width 는 ‘2048’이다.

print("cinema is now \(cinema.width) pixel wide")
// Prints "cinema is now 2048 pixels wide"

print("hd is still \(hd.width) pixel wide")
// Prints "hd is still 1920 pixels wide"

cinema 의 width 는 ‘2048’로 변경되었으나, hd 의 width 는 여전히 ‘1920’이다.

3. Enumerations

enum CompassPoint {
    case north, south, east, west
    mutating func turnNorth() {
        self = .north
    }
}

var currentDirection = CompassPoint.west
let rememberedDirection = currentDirection

변수 currentDirection enumeration 을 만들고, 이를 rememberedDirection 변수에 복사했다.

//currentDirection = .north
currentDirection.turnNorth()

이제 currentDirection는 ‘north’ 다.

print("The current direction is \(currentDirection)")
// Prints "The current direction is north"

print("The remembered direction is \(rememberedDirection)")
// Prints "The remembered direction is west"

currentDirection는 ‘north’ 로 변경되었으나, rememberedDirection는 여전히 ‘west’ 다.

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4. Classes Are Reference Types 👩‍💻

1. Characteristics of Reference Types

Reference Type은 Variable 또는 Constant 에 할당될 때, 그리고 함수에 전달될 때 copy 되지 않는다.
copy 대신 동일 instance를 참조(reference)한다.

2. Classes

let tenEighty = VideoMode()
tenEighty.resolution = hd
tenEighty.interlaced = true
tenEighty.name = "1080i"
tenEighty.frameRate = 25.0

위 과정을 설명하면 다음과 같은 같다.

1. VideoMode() instance 를 생성한다.
2. let keyword 를 이용해 tenEighty 에 위에서 생성한 instance 를 할당한다. 이제 tenEighty 는 위에서 생성한 VideoMode Class의 instance 를 참조한다.
3. tenEighty 의 members 에 각각 값을 할당한다.

let alsoTenEighty = tenEighty

새로운 상수 alsoTenEighty 에 alsoTenEighty 를 할당했다.

alsoTenEighty.frameRate = 30.0

alsoTenEighty 의 frameRate 를 ‘30.0’으로 수정했다.

print("The frameRate property of alsoTenEighty is now \(alsoTenEighty.frameRate)")
print("The frameRate property of tenEighty is now \(tenEighty.frameRate)")

The frameRate property of alsoTenEighty is now 30.0
The frameRate property of tenEighty is now 30.0

alsoTenEighty 를 수정했는데 tenEighty 도 같이 바뀐 값을 출력한다!
Classes는 Reference Types이기 때문이다.

따라서, tenEighty, alsoTenEighty 를 직접 출력해보면 class 의 members 자체의 값을 출력하는 것이 아니라 그 member 가 참조하는 대상을 출력한다.

tenEighty, alsoTenEighty 를 let으로 선언했는데도 수정이 가능한 이유 역시, tenEighty, alsoTenEighty 가 constnat인 것일 뿐, 이것이 참조하는 instance 가 갖고 있는 memebr frameRate는 var keyword 를 이용해 변수로 선언되었기 때문이다.

print(tenEighty)        // __lldb_expr_11.VideoMode
print(alsoTenEighty)    // __lldb_expr_11.VideoMode

3. Identity Operators

기존에 알고 있던 equal to, not equal to Operators 는 다음과 같다.

// Equal to(==)
print(5 == 5)       // true
print(5 == 7)       // false

// Not equal to(!=)
print(5 != 7)       // true

Reference Types를 위한 Identity Operators는 ==, !=가 아닌 ===, !==를 사용한다.

print(tenEighty === alsoTenEighty)  // true
print(tenEighty !== alsoTenEighty)  // false

if tenEighty === alsoTenEighty {
  print("tenEighty and alsoTenEighty refer to the same VideoMode instance.")
}
// Prints "tenEighty and alsoTenEighty refer to the same VideoMode instance."

tenEighty 와 *alsoTenEighty *는 VideoMode Class 의 동일한 instance 를 참조하고 있음을 알 수 있다.

let numA = 5
let numB = numA
print(numA === numB)  // error: argument type 'Int' is not a reference types

=== 또는 !== operators 는 Reference Types를 위한 Identity Operators로, Value Types 를 비교하려고 하면 에러가 발생한다.

4. Pointers

C, C++, Objective-C 같은 언어는 메모리 주소를 참조하기 위해 pointer를 사용한다.
이것은 Swift 에서 Reference Types의 instance를 참조하기 위한 상수 또는 변수 역시 이와 유사하다. 하지만, Swift 가 가리키는 주소값은 C 언어에서의 pointer 와 달리 메모리 주소를 가리키는direct pointer가 아니며, reference 를 만들기 위해 asterisk(*)를 필요로 하지 않는다.

Swift 에서 references는 다른 constants 또는 variables를 정의하듯 사용하면 된다.

만약, pointer를 직접적으로 다뤄야 하는 경우를 위해 Standard Library는 pointer types와 buffer types를 제공한다. Manual Memory Management

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Reference

1. “Structures and Classes.” The Swift Programming Language Swift 5.7. accessed Nov. 21, 2022, Swift Docs Chapter 8 - Structures and Classes.
2. “Choosing Between Structures and Classes.” Apple Developer Documentation. accessed Nov. 21, 2022, Choosing Between Structures and Classes.