안녕하세요 Noah입니다 :)

오늘은 Swift의 자료구조 중 배열에 대해 알아보도록 하겠습니다😀

배열은 메모리 영역에 연속되어있는 데이터 구조로 논리적인 순서와 물리적인 순서가 같다는 특징을 가지고 있습니다.

배열은 특정 요소의 조회가 아주 빠르다는 특징을 가지고 있습니다.

특정 요소를 조회할 때 순회(traversing)하는 것이 아니라,

배열의 특징중 하나인 논리적인 순서(index)와 물리적인 순서(메모리 주소)가 같다는 특징을 이용해

index를 사용하여 특정 요소를 조회하면(random access) 조회의 시간복잡도가 O(1)이기 때문에 조회가 아주 빠르다는 특징을 가지고 있습니다.

특정한 메모리 주소 값에 바로 접근하는 것을 random access라고 합니다.

추가 및 삭제는 개념적인 배열이라면 중간에 추가할 때 맨 뒤에 공간을 더 만들고 하나씩 밀어야합니다.

삭제도 마찬가지로 중간에 있는 요소 하나를 삭제한다면 중간에 빠진 게 없도록 다시 밀어줘야 합니다.

따라서 배열은 중간에 값을 생략하거나 건너뛰는 경우는 없습니다.

즉 배열은 조회는 빠르지만, 추가 및 삭제는 느리다는 특징을 가지고 있음을 위에서 살펴본 내용을 통해 알 수 있습니다.

Swift의 배열이 가지는 특징은 다음과 같습니다.

• 배열에 저장할 요소의 타입에는 제약이 없지만, 하나의 배열에 저장하는 아아템 타입은 모두 같아야 함
• 선언 시 배열에 저장할 요소의 타입을 명확히 정의해야 함
• 배열의 크기는 동적으로 확장할 수 있음

Swift에서는 배열을 정적(Static)인 방식과 동적(Dynamic)인 방식으로 배열을 선언 및 초기화할 수 있습니다.

• 정적인 방식

let cities = ["Seoul", "New York", "LA", "Santiago"]

cities 라는 상수는 타입 추론에 의해 String 요소를 가지는 배열 객체가 됩니다.

• 동적인 방식

var cities = [String]()

배열을 사용할 때 주의해야 할 점은 배열의 범위를 벗어난 영역에 접근하는 경우를 주의해야 합니다.

만약 배열의 범위를 벗어난 영역에 접근할 경우 다음과 같은 에러를 마주하게 됩니다.

Fatal error: Index out of range

말 그대로 치명적인 에러인데요, 만약 App에서 이러한 에러가 발생하게 되면 그 즉시 앱이 강제종료(크래시)되는 상황이 발생하게 됩니다.

이와 같은 에러를 마주하지 않게 하기 위해서는 index가 Array의 유효한 bound안에 있는지 확인하는 습관을 지녀야 할 것 같습니다.

Swift에서는 다음과 같은 extension을 통해 bound를 check하고 안전하게 배열을 사용할 수 있는데요,

Swift 언어의 안전성의 기본 바탕이 되는 Optional을 이용해

다음과 같은 extension을 구성할 수 있습니다.

extension Array {
    subscript (safe index: Int) -> Element? {
        return indices ~= index ? self[index] : nil
    }
}

이제 다음으로 Apple Developer 문서에 나온 Array를 번역해보며

Swift Array의 특성에 대해 알아보도록 하겠습니다.

Apple Developer Documentation - Array

Arrays

An ordered, random-access collection.

Declaration

@frozen struct Array<Element>

Overview

배열은 앱에서 가장 일반적으로 사용되는 데이터 타입 중 하나입니다.

배열은 앱의 데이터를 구성하는 데 사용합니다.

배열은 정수, 문자열, 클래스 등 모든 종류의 Type을 저장할 수 있습니다.

배열에 저장할 요소의 타입에는 제약이 없지만, 하나의 배열에 저장하는 요소의 타입은 모두 같아야 합니다.

Swift는 배열 리터럴을 사용하여 배열을 쉽게 만들 수 있습니다. Swift는 지정된 값이 포함된 배열을 작성하여 배열의 요소 유형을 자동으로 추론합니다.

For example:

// An array of 'Int' elements
let oddNumbers = [1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15]

// An array of 'String' elements
let streets = ["Albemarle", "Brandywine", "Chesapeake"]

선언에 배열의 요소 타입을 지정하여 빈 배열을 작성할 수 있습니다.

For example:

// Shortened forms are preferred
var emptyDoubles: [Double] = []

// The full type name is also allowed
var emptyFloats: Array<Float> = Array()

고정된 수의 default value로 미리 초기화된 배열이 필요한 경우 Array(repeating:count:) 이니셜라이저를 사용합니다.

For example:

var digitCounts = Array(repeating: 0, count: 10)
print(digitCounts)
// Prints "[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]"

Accessing Array Values

배열의 모든 요소에 대해 작업을 수행해야 하는 경우 for-in loop를 사용하여 배열의 내용을 반복합니다.

for street in streets {
    print("I don't live on \(street).")
}
// Prints "I don't live on Albemarle."
// Prints "I don't live on Brandywine."
// Prints "I don't live on Chesapeake."

isEmpty 속성을 사용하여 배열에 요소가 있는지 확인하거나, 카운트 속성을 사용하여 배열의 요소 수를 확인할 수 있습니다.

if oddNumbers.isEmpty {
    print("I don't know any odd numbers.")
} else {
    print("I know \(oddNumbers.count) odd numbers.")
}
// Prints "I know 8 odd numbers."

배열의 첫 번째 및 마지막 요솟값에 안전하게 액세스하려면 first , last 속성을 사용합니다. 배열이 비어 있으면 이러한 속성은 nil입니다

if let firstElement = oddNumbers.first, let lastElement = oddNumbers.last {
    print(firstElement, lastElement, separator: ", ")
}
// Prints "1, 15"

print(emptyDoubles.first, emptyDoubles.last, separator: ", ")
// Prints "nil, nil"

subscript를 통해 개별 배열 요소에 접근할 수 있습니다. 비어 있지 않은 배열의 첫 번째 요소의 인덱스 항상 0입니다. 배열 요소의 count보다 크거나 같은 인덱스 또는 음수 인덱스를 사용하면 런타임 오류가 발생합니다.

For example:

print(oddNumbers[0], oddNumbers[3], separator: ", ")
// Prints "1, 7"

print(emptyDoubles[0])
// Triggers runtime error: Index out of range

Adding and Removing Elements

강의 중인 수업에 등록한 학생 이름 목록을 저장해야 한다고 해봅시다. 등록 기간 동안 학생들이 수업을 추가 및 삭제함에 따라 이름을 추가 및 삭제해야 하는 기능을 지원해야 한다고 가정해봅시다.

var students = ["Ben", "Ivy", "Jordell"]

배열의 끝에 단일 요소를 추가하려면 append(_:) 메서드를 사용합니다.

배열의 끝에 여러 요소를 동시에 추가하려면 append(contentsOf:) 메서드에 다른 배열 또는 임의의 시퀀스를 전달하여 여러 요소를 동시에 추가합니다.

students.append("Maxime")
students.append(contentsOf: ["Shakia", "William"])
// ["Ben", "Ivy", "Jordell", "Maxime", "Shakia", "William"]

배열의 중간에 단일 요소를 삽입하려면 insert(_:at:) 메소드를 사용하고, 배열의 중간에 다른 컬렉션, 배열 리터럴을 삽입하려면 insert(contentsOf:at:) 메소드를 사용합니다. 해당 인덱스와 이후 인덱스의 요소는 공간을 확보하기 위해 다시 이동됩니다.

students.insert("Liam", at: 3)
// ["Ben", "Ivy", "Jordell", "Liam", "Maxime", "Shakia", "William"]

배열에서 요소를 제거하려면 remove(at:), removeSubrange(_:) 및 removeLast() 메서드를 사용합니다.

// Ben's family is moving to another state
students.remove(at: 0)
// ["Ivy", "Jordell", "Liam", "Maxime", "Shakia", "William"]

// William is signing up for a different class
students.removeLast()
// ["Ivy", "Jordell", "Liam", "Maxime", "Shakia"]

새로운 값을 subscript에 할당하여 기존 요소를 새로운 값으로 바꿀 수 있습니다.

if let i = students.firstIndex(of: "Maxime") {
    students[i] = "Max"
}
// ["Ivy", "Jordell", "Liam", "Max", "Shakia"]

Growing the Size of an Array

모든 배열은 콘텐츠를 저장하기 위해 일정량의 메모리를 예약합니다. 요소를 배열에 추가하고 해당 배열이 예약된 용량을 초과하기 시작하면 배열은 더 큰 메모리 영역을 할당하고, 해당 요소를 새 스토리지에 복사합니다. 새 스토리지는 이전 스토리지 크기의 배수입니다.

Array Doubling과 관련 있습니다. https://zeddios.tistory.com/62 이 글을 같이 읽어보시면 도움이 될 것입니다!

이러한 기하급수적인 growth 전략은 요소를 추가하는 작업이 일정한 시간 내에 수행되어 많은 추가 작업의 성능을 평균화합니다. 재할당을 트리거 하는 추가 작업은 성능비용이 발생하지만 배열이 커질수록 발생하는 빈도는 점점 줄어듭니다.

하지만, 우리는 일반적으로 용량에 대해 걱정할 필요가 없어요. Swift는 효율적인 재할당기법을 사용하기 때문에 재할당은 거의 성능 문제가 되지 않습니다:)

저장해야 할 요소의 개수를 대략적으로 알고 있는 경우 중간에 재할당하는 것을 피하기 위해 배열에 추가하기 전에 reserveCapacity(_:) 메서드를사용하십시오. capacity 및 count 속성을 사용하여 배열이 더 큰 스토리지를 할당하지 않고 저장할 수 있는 요소의 수를 결정합니다.

여기서 말하는 스토리지는 연속적인 메모리 블록입니다. Element Type이 클래스 또는 @objc 프로토콜 유형인 배열의 경우 이 저장소는 메모리의 연속 블록 또는 NSArray 인스턴스가 될 수 있습니다. NSArray의 임의의 하위 클래스는 배열이 될 수 있기 때문에 이 경우 representation이나 효율성에 대한 보장은 없습니다.

Modifying Copies of Arrays

각 배열에는 모든 요소의 값이 포함된 independent value가 있습니다.

즉, integer와 같은 단순 type의 경우 한 배열에서 값을 변경할 때

해당 요소의 값은 배열의 복사본에서 변경되지 않습니다.

Value Type의 특성과 같네요!

For example:

var numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
var numbersCopy = numbers
numbers[0] = 100
print(numbers)
// Prints "[100, 2, 3, 4, 5]"
print(numbersCopy)
// Prints "[1, 2, 3, 4, 5]"

배열의 요소들이 클래스의 인스턴스라면, 처음에는 다르게 보일지라도 semantics는 동일하다.

semantics는 문장이나 단위프로그램을
컴퓨터에서 실행한 효과를 명세하여 문장이나 프로그램의 의미를 서술한 것을 말한다.

• 3학년 2학기 프로그래밍언어 수업 中

이 경우 배열에 저장된 값은 배열 외부에 있는 객체에 대한 참조입니다. 한 배열의 객체에 대한 참조를 변경하면 해당 배열만 새 객체에 대한 참조를 갖게 됩니다. 그러나 두 배열에 동일한 객체에 대한 참조가 포함되어 있으면

두 배열에서 해당 개체의 속성이 변경되는 것을 관찰할 수 있습니다.

For example:

// An integer type with reference semantics
class IntegerReference {
    var value = 10
}
var firstIntegers = [IntegerReference(), IntegerReference()]
var secondIntegers = firstIntegers

// Modifications to an instance are visible from either array
firstIntegers[0].value = 100
print(secondIntegers[0].value)
// Prints "100"

// Replacements, additions, and removals are still visible
// only in the modified array
firstIntegers[0] = IntegerReference()
print(firstIntegers[0].value)
// Prints "10"
print(secondIntegers[0].value)
// Prints "100"

표준 라이브러리의 모든 가변 크기 컬렉션과 마찬가지로 배열도 copy-on-write 최적화를 사용합니다. 배열의 여러 복사본은 복사본 중 하나를 수정할 때까지 동일한 스토리지를 공유합니다.

이 경우 수정 중인 배열은 스토리지를 고유하게 소유한 자체 복사본으로 교체한 다음 해당 위치에서 수정됩니다.

복사본의 양을 줄일 수 있는 최적화 기능이 적용되기도 합니다.

즉, 배열이 다른 복사본과 스토리지를 공유하는 경우 해당 어레이의 첫 번째 mutating 작업에서 어레이를 복사하는 비용이 발생합니다. 스토리지의 유일한 소유자인 배열은 해당 스토리지에서 변경 작업을 수행할 수 있습니다.

아래의 예에서 numbers 배열이 동일한 스토리지를 공유하는 복사본 두 개와 함께 생성됩니다. original numbers 배열이 수정되면 수정하기 전에 저장소의 고유한 복사본을 만듭니다. 두 복사본이 original 스토리지를 계속 공유하는 동안 numbers를 추가로 수정합니다.

var numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
var firstCopy = numbers
var secondCopy = numbers

// The storage for 'numbers' is copied here
numbers[0] = 100
numbers[1] = 200
numbers[2] = 300
// 'numbers' is [100, 200, 300, 4, 5]
// 'firstCopy' and 'secondCopy' are [1, 2, 3, 4, 5]

Bridging Between Array and NSArray

Array 대신 NSArray 인스턴스에 데이터가 필요한 API에 액세스해야 하는 경우 type-cast 연산자(as)를 사용하여 인스턴스를 브리지합니다.

브릿징이 가능하려면 배열의 요소 유형이 클래스, @objc 프로토콜(Object-C에서 가져오거나 @objc 특성으로 표시된 프로토콜) 또는 Foundation 유형으로 브리지되는 유형이어야 합니다.

다음 예에서는 어레이 인스턴스를 NSArray에 브리지하여 write(to:atomically:) 메소드를 사용하는 방법을 보여 줍니다. 이 예에서 색상 배열은 colors 배열의 문자열 요소가 NSString에 브리지되기 때문에 NSArray에 브리지될 수 있습니다. 반면 컴파일러는 moreColors 배열의 요소 type이 Foundation 형식으로 브리지되지 않는 Optional<String>이기 때문에 moreColors 배열의 브릿징을 방지합니다.

let colors = ["periwinkle", "rose", "moss"]
let moreColors: [String?] = ["ochre", "pine"]

let url = URL(fileURLWithPath: "names.plist")
(colors as NSArray).write(to: url, atomically: true)
// true

(moreColors as NSArray).write(to: url, atomically: true)
// error: cannot convert value of type '[String?]' to type 'NSArray'

배열의 요소가 이미 클래스의 인스턴스 또는 @objc 프로토콜인 경우 Array에서 NSAray로 브릿징하려면 O(1) 시간과 O(1) 공간이 필요합니다. 그렇지 않으면 O(n) 시간과 공간이 필요합니다.

destination 배열의 요소 type이 클래스 또는 @objc 프로토콜인 경우 NSArray에서 Array로 브릿징하면 먼저 copy(with:)(- copyWithZone: in Objective-C) 메소드를 호출하여 배열에서 immutable(불변) 복사본을 얻은 후 O(1) 시간이 걸리는 Swift bookkeeping작업을 추가로 수행합니다.

이미 immutable(불변)인 NSArray 인스턴스의 경우, copy(with:)는 일반적으로 O(1) 시간 내에 동일한 배열을 반환합니다. copy(with:)가 동일한 어레이를 반환하는 경우 NSArray 및 Array 인스턴스는 어레이의 두 인스턴스가 스토리지를 공유할 때 사용되는 것과 동일한 Copy-on-write 최적화를 사용하여 스토리지를 공유합니다.

destination 어레이의 요소 유형이 Foundation 유형에 브리지되는 non-class type인 경우 NSArray에서 어레이로 브릿징되는 요소는 O(n) 시간 내에 인접 스토리지에 브릿징 복사를 수행합니다. 예를 들어 NSArray에서 Array<Int>로의 브릿징은 이러한 복사를 수행합니다. Array 인스턴스의 요소에 액세스할 때 추가 브릿징이 필요하지 않습니다.

ContinuousArray 및 ArraySlice 유형은 브리지되지 않으며, 이러한 type의 인스턴스는 항상 연속적인 메모리 블록을 스토리지로 사용합니다.

아직 모르는 것이 많고 알아가는 과정입니다. 잘못된 것이 있다면 댓글로 남겨주신다면 감사하겠습니다!😊

참고

• 안전하게 배열 조회하기- 민소네님
• 꼼꼼한 재은씨의 Swift 문법편
• Swift Array - Apple Devleoper Documentation
• Array. count? capacity? - ZeddiOS님