[Swift] Collection Type - 배열 (Array), ArraySlice, CoW

안녕하세요! 이번 포스팅은 Swift 데이터구조와 알고리즘 책의 2장 스터디 중 두번째 핵심 내용인 Collection Type 에 대한 내용입니다. Array (배열), Dictionary (딕셔너리, 사전형), Set (세트), Tuple(튜플) 네가지 타입에 대해 학습했습니다.

 

👀 컬렉션 타입(Collection Type)

컬렉션 타입은 여러 값을 저장할 수 있는 형태로, Swift 에 구현된 컬렉션 타입은 Array, Dictionary, Set 가 있습니다. Tuple 은 컬렉션 타입은 아니지만, 유사한 방식으로 활용됩니다!

 

• 배열(Array) : 순서를 가지며, 동일 타입의 값을 목록으로 저장하는 컬렉션
• 딕셔너리(Dictionary; 사전형) : 동일한 데이터 타입이 Key: Value 쌍으로 묶인 순서가 없는 컬렉션, 사전과 비슷한 구조
• 세트(Set) : nil 이 포함되지 않고 서로 중복되지 않는 값으로 구성된 순서가 없는 컬렉션, 수학에서의 집합 개념을 기반으로 만든 타입
• 튜플(Tuple) : 다양한 데이터 타입의 값을 담을 수 있는 타입(내부 요소가 모든 같은 타입이 아니어도 됨), 연관 값의 임시 그룹을 만드는데 사용 (함수인자, 반환값 등)

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✏️ 배열(Array)

배열(Array) 는 순서를 가지며, 동일 타입의 값을 목록으로 저장하는 데이터 타입입니다. Swift 에서 배열에 저장하는 값은 Generic type collections 으로 int, float, string, 열거형(enumerate), 클래스까지 어떤 타입이든 가능합니다.

 

✔︎ 배열 초기화

Swift 표준 라이브러리는 네가지 초기화 메소드를 제공합니다.

저는 세번째 방식인 배열의 값을 지정해 선언하는 방식을 자주 사용해요. 혹은 초기값 지정이 필요한 경우 4번째 방식을 이용합니다!

 

// 1 정식 문법
var intArray = Array<Int>()

// 2 단축 표현 문법
intArray = [Int]()

// 3 배열의 값을 지정해서 선언하는 방식
var intLiteralArray: [Int] = [1, 2, 3]

// 3-1 위의 단축 표현 방식 (타입은 Int로 추정된다)
intLiteralArray = [1, 2, 3]

// 4 하나의 특정 값으로 배열 생성하기 [2, 2, 2, 2, 2]
intLiteralArray = [Int](repeating:2, count: 5)

 

✔︎ 배열 요소 추가 및 업데이트

• append(_:) 메소드
  배열의 맨 마지막 부분에 새로운 요소를 추가한다. 시간복잡도 O(1)
• append(contentsOf:) 메소드
  배열의 맨 마지막 부분에 시퀀스의 요소들을 추가한다. 시간복잡도 평균 O(m), m 은 추가되는 시퀀스의 길이
• insert(_: at:) 메소드
  배열의 특정 인덱스에 새로운 요소를 추가한다.
  시간복잡도 O(n), n 은 배열의 길이. 마지막 인덱스인 경우, append 메소드와 같아지므로 O(1)
• insert(contentsOf: at:) 메소드
  배열의 특정 인덱스에 시퀀스의 요소들을 추가한다.
  시간복잡도 O(n + m), n은 기존 배열의 길이, m 은 추가되는 시퀀스의 길이.
  마지막 인덱스인 경우 append(contentsOf:) 메소드와 같아지므로 O(m).
• 배열 요소 업데이트 array[i]
  배열의 특정 인덱스의 요소 값을 변경할 때에는 서브스크립트 문법을 사용해서 변경할 수 있다.

// Declaration
mutating func append(_ newElement: Int)

mutating func append<S>(contentsOf newElements: S) where Element == S.Element, S : Sequence

mutating func insert(_ newElement: Int, at i: Int)

mutating func insert<C>(contentsOf newElements: C, at i: Int) where C : Collection, Self.Element == C.Element

// Example code
var intArray : [Int] = []
intArray.append(4) 
// [4]
intArray.append(contentsOf: [5, 6, 7])
// [4, 5, 6, 7]
intArray.insert(1, at: 0)
// [1, 4, 5, 6, 7]
intArray.insert(contentsOf: [2, 3], at: 1)
// [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
intArray[0] = 0 
// [0, 2, 3, 4, 5, 6, 7]

 

✔︎ 배열에서 여러 요소를 가져오는 방법

• 서브스크립트와 인덱스 범위를 통해 값을 가져오거나 업데이트할 수 있다.
• for ... in 문법을 통해 배열 요소를 반복할 수 있다.
• for ... in 문법 사용시 인덱스와 값을 동시에 사용하기 위해서는 enumerate(array) 함수를 이용할 수 있다.

// intArray = [0, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
intArray[1...4] // [2, 3, 4, 5], 인덱스 4 를 포함한다.
intArray[1..<4] // [2, 3, 4], 인덱스 4 를 포함하지 않는다.
intArray[0...2] = [10, 20, 30] // intArray = [10, 20, 30, 4, 5, 6, 7]

// 배열의 모든 요소를 반복한다
for element in intArray { 
     print(element) 
}

// 배열의 요소를 반복하며 인덱스를 함께 사용할 수 있다
for (index, value) in enumerate(intArray) {
    print("intArray[\(index)]: \(value)")
}

 

✔︎ 배열의 개수 확인, 특정 값이 있는지 확인, 특정 값의 인덱스를 찾기

• array.count 속성 :: 배열의 개수를 확인하는 속성 (Int)
• array.isEmpty 속성 :: 배열이 비었는지 확인하는 속성 (Bool)
• array.contains(_:) 메소드 :: 특정 값이 있는지 확인해 Bool 값을 반환.
• array.firstIndex(of:) 메소드 :: 특정 값과 일치하는 첫번째 인덱스를 반환, 없는 경우 nil
• array.lastIndex(of:) 메소드 :: 특정 값과 일치하는 마지막 인덱스를 반환, 없는 경우 nil

intArray.count // 7
intArray.isEmpty // false
intArray.contains(55) // false
intArray.firstIndex(of: 2) // 1
intArray.lastIndex(of: 2) // 1
intArray.firstIndex(of: 10) //nil

 

 

💡 ArraySlice ?

배열을 서브스크립트, 인덱스 범위를 통해 새로운 범위의 배열을 지정한 경우, 이는 Array 타입이 아닌 ArraySlice 타입이 됩니다. ArraySlice 는 기존 배열의 저장소를 참조하고, Array 가 제공하는 속성과 메소드를 사용할 수 있습니다. (ArraySlice 는 기본적으로 writing 하지 않을 것이라는 가정을 한다고 합니다.) 

 

ArraySlice 의 원본 배열의 라이프 사이클이 끝나면, ArraySlice 에 저장된 배열 요소들도 접근 불가능해집니다. 또한, ArraySlice 인스턴스가 살아있는 동안 Array 에 대한 참조가 계속 유지되므로, 오랜시간동안 사용되지 않는 것이 좋다고 합니다. (라이프 사이클이 긴 클로저 등에서 ArraySlice 를 참조하지 않도록 합니다.) 

 

ArraySlice 인스턴스의 시작 인덱스는 항상 0 이 아닌 점이 중요한데요, 아래 코드에서 subIntArray[0] 은 에러가 발생합니다 👀..! 안전하게 접근하기 위해 startIndex, endIndex 를 활용합시다. subIntArray[2] 와 같이 접근할 수도 있지만, 매번 간단한 배열의 연산을 하는건 아니니깐요. 

var intArray: [Int] = [1, 2, 3, 4, 5]
var subIntArray = intArray[2...4] // [3, 4, 5]

print(type(of: intArray)) // Array<Int>
print(type(of: subIntArray)) // ArraySlice<Int>

//subIntArray[0] // Fatal error: Index out of bounds
subIntArray.startIndex // 2
subIntArray[subIntArray.startIndex] // 3
subIntArray[2] // 3

 

💡 Copy-on-Write (CoW) ?

Copy-on-Write (CoW) 는 특정 인스턴스를 복사한 경우, 수정(Write)이 일어날 때 복사(Copy) 하는 기법입니다. 

스위프트의 Collection Type 인 Array, Dictionary, Set 에서 원본 리소스를 복사할 때 적용됩니다.

* 사용자 정의 구조체에서도 CoW 개념을 적용할 수 있습니다. (여기 링크를 참고해주세요)

 

정리하자면!

• 원본이나 복사본이 수정되기 전까지는 복사를 하지 않고, 원본 리소스를 공유한다.
• 원본이나 복사본에서 수정이 일어날 경우, 그 때 복사하는 작업을 한다.
• => 수정하지 않는 경우에는 원본 리소스를 참조하여 불필요한 메모리 사용과 시간을 줄이기 위함이다.

 

Array 에서의 CoW 예제

 

💡 배열 용량 (Array's capacity) ?

배열의 instance 를 생성하면 해당 배열 요소를 저장하기 위한 추가 저장 공간이 할당됩니다. 이러한 추가 저장 공간을 배열 용량(Array's capacity) 라고 하며, 배열에 저장된 요소의 개수에 잠재적인 저장 공간을 포함한 용량입니다.

 

• Array.count :: 배열에 저장된 요소의 개수 
• Array.capacity :: 새 저장소를 할당하지 않고 배열에 저장할 수 있는 요소의 개수 (잠재적인 저장 공간을 포함)

배열에 대량의 요소가 추가될 것을 미리 알고있는 경우, reserveCapacity(_ capacity:) 메소드를 통해 추가적인 배열 용량을 미리 할당할 수 있습니다! 저장 공간을 미리 확보해두어, 새로운 요소가 추가될 때마다 스스로 저장공간을 할당하는데 드는 시간을 줄일 수 있습니다. 

var intArray = [Int]()
intArray.capacity // 0개 요소를 포함
intArray.reserveCapacity(500)
intArray.capacity // 508개 요소를 포함 (실행 성능을 고려해 실제 요청한 양 이상으로 할당)

 

👉 딕셔너리(Dictionary) 

👉 세트(Set)

👉 튜플(Tuple)

 

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참고 링크

• [Apple Developer Documentation] reserveCapacity(_:) method
• [민소네님 블로그] [Swift] Collection Types 정리
• [Zedd님 블로그] Swift3) Array. count? capacity?
• [Wireframe님 블로그] (Swift) Array 완정 정복 - 04.ArraySlice
• [무과장님 블로그] [Swift] class와 struct 그리고 Copy On Write