[Swift] Method Dispatch (2): 더 복잡한 상황의 Method Dispatch

일단 정리.. Static Dispatch, Dynamic Dispatch

지난 포스트에서 Static Dispatch와 Dynamic Dispatch를 정리해보았는데요, Static Dispatch는 인스턴스에서 메서드가 호출될 때 실제로 어떤 메서드가 호출될지 컴파일 타임에 결정할 수 있는 경우였습니다. 그리고 Dynamic Dispatch는 런타임에 vtable이라는 테이블에 실제 실행할 메서드의 주소를 찾아 결정하는 경우였습니다.

 

런타임에 테이블을 룩업해야하는 오버헤드 때문에 Dynamic Dispatch는 성능에도 부정적인 영향을 준다는 것도 짚어봤었죠. 하지만 상속과 다형성을 사용하기 위해서는 Dynamic Dispatch의 사용이 필수적이었습니다. 

 

결국 지난 포스트에서는 구조체, 열거형 등, 값 타입 인스턴스들은 Static Dispatch, 참조 타입 인스턴스인 클래스는 Dynamic Dispatch로 결론이 났었는데요, 좀 더 복잡한 상황을 고민해봅시다.

 

의문점 1: 프로토콜을 채택하는 구조체는 어쩔건데?

스위프트에 직접적인 상속은 클래스만이 가능하지만, 구조체로도 상속의 개념을 적용할 수 있는 방법이 있었습니다. 바로 프로토콜의 사용이죠.

class Test {
    func printTest() {
        print("test")
    }
}

class TestA: Test {
    override func printTest() {
        print("testA")
    }
}

class TestB: Test {
    override func printTest() {
        print("testB")
    }
}

let tests = [Test(), TestA(), TestB()]

for test in tests {
    print(type(of: test))
    test.printTest()
}

지난 포스트에서 사용했던 이 클래스들을 구조체와 프로토콜로 바꿔볼게요!

 

protocol TestPrintable {
    func printTest()
}

struct Test: TestPrintable {
    func printTest() {
        print("test")
    }
}

struct TestA: TestPrintable {
    func printTest() {
        print("testA")
    }
}

struct TestB: TestPrintable {
    func printTest() {
        print("testB")
    }
}

let tests: [TestPrintable] = [Test(), TestA(), TestB()]

for test in tests {
    test.printTest()
}

이렇게 하면 동일한 출력이 나오겠죠? 이제 tests 배열의 요소 타입은 프로토콜의 타입인 TestPrintable이 되겠네요.

 

자, 그럼 다시 의문점이 생깁니다. 프로토콜만 보고 실제 구현체가 뭔지 어떻게 알아..?

 

컴파일 타임에는 TestPrintable의 선언만 알고있고, 정의를 찾아가려면 각 인스턴스가 가진 메서드 정의를 찾아가야겠죠? 결국 이번에도 Dynamic Dispatch가 되겠네요.

 

프로토콜을 채택한 구조체의 Dynamic Dispatch

구조체도 vtable을 쓸 것 같지만, 그렇지 않습니다. 구조체는 공통조상인 인스턴스가 없으니까요.

 

그래서 이번에는 새로운 테이블인 Protocol Witness Table(PWT)이 사용됩니다.

 

Protocol Witness Table은 프로토콜을 채택하는 각 구조체 인스턴스가 하나씩 가지고, 특정한 메서드에 대한 실제 구현을 이 테이블에 연결시켜둡니다. 

WWDC에서 발표한 자료에서는 이렇게 표현하고 있어요. 배열에 담긴 인스턴스들이 내부에 PTW를 가지고 여기에 실제 구현에 대한 링크가 만들어져 있는 것이죠.

 

이렇게 하면 런타임에 배열 요소가 가진 테이블을 한 번 읽어서 코드를 찾아가야하니 Dynamic Dispatch가 되겠죠!

 

의문점 2: 프로토콜을 Extension 해서 메서드가 정의되어 있다면?

이런 경우는 어떨까요?

protocol TestPrintable {
}

extension TestPrintable {
    func printTest() {
        print("hello")
    }
}

struct Test: TestPrintable {
    func printTest() {
        print("test")
    }
}

struct TestA: TestPrintable {
    func printTest() {
        print("testA")
    }
}

struct TestB: TestPrintable {
    func printTest() {
        print("testB")
    }
}

let tests: [TestPrintable] = [Test(), TestA(), TestB()]

for test in tests {
    test.printTest()
}

프로토콜을 extension해서 기본 메서드를 정의해두고 실행을 해보았습니다.

 

결과는,

hello
hello
hello

이렇게 기본 메서드가 실행됩니다. 왜냐하면 배열의 요소 타입이 TestPrintable이기 때문에 이 타입에 대한 메서드가 곧바로 실행되는 것이죠. 각 인스턴스에 정의된 printTest는 프로토콜로부터 채택받은 메서드가 아닙니다.

 

실제로 XCode에서 자동완성도 지원해주지 않네요ㅎㅎ

 

원래는 이렇게 해줘야하는데 말이죠..

 

즉, 이런 경우는 언제나 프로토콜의 기본 메서드를 실행하는 Static Dispatch로 동작합니다.

 

의문점 3: 프로토콜에 인터페이스가 있고, 기본 메서드가 Extension으로 정의된 경우는?

앞선 예시에서 인터페이스만 추가해보겠습니다.

protocol TestPrintable {
    func printTest()
}

extension TestPrintable {
    func printTest() {
        print("hello")
    }
}

struct Test: TestPrintable {
    func printTest() {
        print("test")
    }
}

struct TestA: TestPrintable {
    func printTest() {
        print("testA")
    }
}

struct TestB: TestPrintable {
    func printTest() {
        print("testB")
    }
}

let tests: [TestPrintable] = [Test(), TestA(), TestB()]

for test in tests {
    test.printTest()
}

이번에는 프로토콜에 인터페이스가 존재하고, 이를 채택하는 구조체에서 각각 자신의 구현체를 가지고 있습니다. 이런 경우에 코드를 실행해보면 결과는 아래처럼 나오는데요,

test
testA
testB

이번에는 프로토콜을 채택한 인스턴스들의 메서드가 실행됩니다. 각 메서드들이 프로토콜을 받은 구조체에서 정의되고 있는 상황이기 때문에 이런 경우는 프로토콜을 채택한 구조체의 메서드가 우선적으로 실행됩니다.

 

따라서 이런 경우는 Dynamic Dispatch 입니다.

 

의문점 4: 클래스의 Extension은?

이번엔 클래스를 Extension하는 경우입니다.

class Test {
    func printTest() {
        print("test")
    }
}

extension Test {
    func printExtension() {
        print("extension")
    }
}

class TestA: Test {
    override func printTest() {
        print("testA")
    }
    override func printExtension() {
        print("extensionA")
    }
}

class TestB: Test {
    override func printTest() {
        print("testB")
    }
}

let tests = [Test(), TestA(), TestB()]

for test in tests {
    test.printExtension()
}

최상위 클래스의 Extension에 새로운 메서드 추가하고 TestA에서 오버라이딩을 하려고 합니다.

하지만 이렇게 에러가 납니다.. Extension으로 만든 메서드는 오버라이딩이 불가능하다고 하네요.. Objective-C 런타임을 사용하면 가능하다고 합니다. 

 

만약 Objective-C 런타임을 사용하지 않는다면 항상 최상위 클래스의 메서드만 사용할 수 있으므로 Static Dispatch 가 됩니다.

 

정리

https://www.rightpoint.com/rplabs/switch-method-dispatch-table

이 글에 표로 잘 정리되어 있어서 그대로 가져와봅니다!

• 1) 값 타입: 순수한 값 타입, 프로토콜을 채택하지 않는 구조체나 enum은 항상 Static Dispatch입니다. 어떤 메서드를 실행하지는 너무나 명확하니까요!
• 2) 프로토콜: 프로토콜을 채택하는 타입들은 기본적으로 Dynamic Dispatch입니다. 여기서 사용하는 테이블은 Protocol Witness Table 이구요. 하지만 Protocol의 인터페이스에 포함되지 않는 기본 메서드들은 항상 기본 메서드가 호출되기 때문에 Static Dispatch 입니다.
• 3) 클래스: 클래스는 다형성과 상속 때문에 기본적으로 Dynamic Dispatch이고, vtable을 이용해서 메서드를 실행합니다. 클래스의 extension으로 정의된 메서드는 Objective-C 런타임을 사용하지 않으면 오버라이딩할 수 없기 때문에 Static Dispatch 입니다.

Reference

• https://developer.apple.com/videos/play/wwdc2016/416/
• https://babbab2.tistory.com/144?category=828998
• https://www.rightpoint.com/rplabs/switch-method-dispatch-table
• https://zeddios.tistory.com/597