오늘 시간에는 프로그램이 컴파일 돼 실행되는 과정을 이야기 해보자 합니다. 그리고 언어 중에서는 제가 사용하는 C와 스터디에서 다른 분들이 많이 사용하실 것같아 Java도 함께 곁들여 진행해보겠습니다. 혹시나 틀린 부분이 있다면 콕콕 집어주시기 바랍니다! 진행은 요 링크에 질문들을 따라가보면서 살을 덧붙여볼게요.
- 링커와, 로더의 차이에 대해 설명해 주세요.
- 컴파일 언어와 인터프리터 언어의 차이에 대해 설명해 주세요.
- JIT(Just-in-time) 에 대해 설명해 주세요.
- 본인이 사용하는 언어는, 어떤식으로 컴파일 및 실행되는지 설명해 주세요.
컴파일 과정하면 어떤 생각이 드시나요? 저는 가장 간단하게 “번역” 이라고 생각이 드는 데요, 0과 1로만 만들어진 기계언어를 사람이 코드를 통해 조작하기 위해 코드를 기계어 번역해서 실행파일과 연결하는 과정이라고 봅니다. 그래서 그 대표적인 Compile 언어로는 C와 Java를 가져와봤습니다(혹시 Java에 대해서 틀린 부분이 있으면 바로바로 집어주시기 바랍니다!).
1. C vs Java
컴파일 과정에 앞서 C와 Java의 차이점에 대해서 조금 언급하고 넘어 가야겠네요. 기본적으로 C가 Java보다 빠르다고 하는데요, 이야기를 들어보면 이해가 가실거에요.
둘의 차이점중에 가장 먼저 보이는 것은 “절차 지향적”이냐, “객체 지향적”이냐의 차이점입니다.
Java의 경우 Java Virtual Machine(JVM)가 코드를 기계어(bytecode를 의미하겠죠?)로 변환시키고 실행시킨다고 합니다. 그래서 Just in time(JIT) Compiliation이라고 많이 들어보셨을 텐데, 변환과 실행이 그 때 그때 된다는 의미겠죠? 그럼, 왜 Java가 객체지향적이라고 말하는 지 이해가 가시나요?
반면 C의 경우 실행파일로 들어간 코드 중 main 이라고 선언된 함수내에서 돌아가는 하나의 루프가 실행의 전부입니다(main말고 이름을 바꿀 수도 있어요!). 간단하죠? 대신 Java 보다 코드 자체를 직관적으로 이해하는 데 힘들다고 합니다. 그리고 “Preprocess(전처리)”라는 단계를 거쳐서 Compilation을 합니다. 이 전처리과정은 이후에 설명드릴 텐데, 코드에서 필요없는 부분을 싹- 빼고 기계어로 번역하신다고 생각하면 됩니다.
이외에도 많은 차이점이 있는데, 오늘은 컴파일 과정이 주제라서 여기까지만 이야기해 볼게요. 혹시 다른 차이점 아시는 게 있나요? 말해주세요!
들어가기에 앞서 본 내용은 이 링크를 참조한 것이므로, 본문을 원하신다면 가보시길 추천드립니다. 그럼 본격적으로 컴파일 과정을 들어가볼게요. Java는 Preprocess(전처리) 과정을 빼면되니 참고하시길 바랍니다. 아래의 그림은 C언어가 기계어로 번역해, 실행 파일(어플리케이션)과 연결하는 과정을 보여 줍니다.
Reference. https://www.geeksforgeeks.org/cc-preprocessors/
한 번 예제로 따라가 볼까요?
#include<stdio.h>
#define add(a, b) (a+b) // using macros
int main()
{
int a=5, b=4;
printf("Addition is: %d\n", add(a, b));
return 0;
}
이런 C 코드가 gcc -Wall example.c –o example 요 명령어를 통해 example.exe 로 변하는 과정을 볼겁니다.
- 참고
gcc의 경우 c 언어용 컴파일러,-Wall은 그 컴파일러에서 옵션입니다. 그리고 실습을 해보고 싶으신 분들을 위해, 중간 과정(Compilation, Assembly)에서 나오는 파일들을 보고 싶으시다면gcc -Wall -save-temps example.c –o example이렇게 쓰시면 됩니다
과정은 Pre-processing → Compilation → Assembly → Linking 요롷게 진행될 예정입니다.
2. Preprocess in C
2.1 Preprocess
Preprocess(전처리) 과정은 Java에는 없고 C만 가지는 부분입니다. 이 과정은 크게 네 가지 역할을 하고나서 처리한 코드는 example.i 라는 파일로 나옵니다.
- Removal of Comments
- Expansion of Macros: 매크로가 뭐냐? 위에 예시를 참고해주세요!
- Expansion of the included files.
- Conditional compilation
2.2 Compile
다음 단계는 컴파일단계 입니다. 이 과정을 거친 코드는 example.s 로 나오고, 어셈블리 레벨의 명령어들로 아래처럼 번역이 됩니다.
.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
.build_version macos, 12, 0 sdk_version 12, 3
.globl _main ## -- Begin function main
.p2align 4, 0x90
_main: ## @main
.cfi_startproc
## %bb.0:
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset %rbp, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register %rbp
subq $16, %rsp
movl $0, -4(%rbp)
movl $5, -8(%rbp)
movl $4, -12(%rbp)
movl -8(%rbp), %esi
addl -12(%rbp), %esi
leaq L_.str(%rip), %rdi
movb $0, %al
callq _printf
xorl %eax, %eax
addq $16, %rsp
popq %rbp
retq
.cfi_endproc
## -- End function
.section __TEXT,__cstring,cstring_literals
L_.str: ## @.str
.asciz "Addition is: %d\n"
.subsections_via_symbols
2.3 Assembly
그럼 위에 저 어셈블리 언어를 위한 명령어들을 “어셈블러”가 또 바꿔줘야 겠죠? 그 과정을 거친 파일은 example.o 형태를 가집니다. 이 과정에서 코드는 이제 보고 알아볼 수는 없습니다…
아 이렇게는 잘 안보구요.
Ïúíþ^G^@^@^A^C^@^@^@^A^@^@^@^D^@^@^@^H^B^@^@^@ ^@^@^@^@^@^@^Y^@^@^@<88>^A^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@°^@^@^@^@^@^@^@(^B^@^@^@^@^@^@°^@^@^@^@^@^@^@^G^@^@^@^G^@^@^@^D^@^@^@^@^@^@^@__text^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@__TEXT^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@9^@^@^@^@^@^@^@(^B^@^@^D^@^@^@Ø^B^@^@^B^@^@^@^@^D^@<80>^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@__cstring^@^@^@^@^@^@^@__TEXT^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@9^@^@^@^@^@^@^@^Q^@^@^@^@^@^@^@a^B^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^B^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@__compact_unwind__LD^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@P^@^@^@^@^@^@^@ ^@^@^@^@^@^@^@x^B^@^@^C^@^@^@è^B^@^@^A^@^@^@^@^@^@^B^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@__eh_frame^@^@^@^@^@^@__TEXT^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@p^@^@^@^@^@^@^@@^@^@^@^@^@^@^@<98>^B^@^@^C^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^K^@^@h^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@2^@^@^@^X^@^@^@^A^@^@^@^@^@^L^@^@^C^L^@^@^@^@^@^B^@^@^@^X^@^@^@ð^B^@^@^B^@^@^@^P^C^@^@^P^@^@^@^K^@^@^@P^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^A^@^@^@^A^@^@^@^A^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@UH<89>åH<83>ì^PÇEü^@^@^@^@ÇEø^E^@^@^@ÇEô^D^@^@^@<8b>uø^CuôH<8d>=^O^@^@^@°^@è^@^@^@^@1ÀH<83>Ä^P]ÃAddition is: %d
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Hex형태로 보면 요렇게는 봅니다. 분석을 한다면 어디에 사용할 수 있을까요? (근데 중간에 printf 와 같은 함수는 남아있는게 보이시나요?)
2.4 Link
짠! 이제 실행파일(어플리케이션)을 만들어야죠? 마지막 단계는 위에 번역된 모—든 기계어를 실행파일과 연결시켜야겠죠? Link과정에서 추가적으로 프로그램을 OS에서 실행할 수 있게 프로그램의 시작과 끝을 조금 추가해주고 나머지 순서는 main 함수(개발자가 지정한 함수, default는 main)을 따라갑니다.
이 과정을 끝내기 전 example.o 와 example.exe를 $size example.o and $size example 를 쓰시면 아래 처럼 실행파일 안에 코드 영역별로 차지하고 있는 부분을 볼 수 있습니다.
(mlp) seunghyunoh@Seunghyuns-MacBook-Air ctest % size test_compile.o
__TEXT __DATA __OBJC others dec hex
138 0 0 32 170 aa
(mlp) seunghyunoh@Seunghyuns-MacBook-Air ctest % size test_compile
__TEXT __DATA __OBJC others dec hex
16384 16384 0 4295000064 4295032832 100010000
실행파일은 부수적으로 더 많이 들어가 있죠? __TEXT, __DATA, __OBJC, others, dec, hex 는 그럼 각기 뭘까요? 메모리 영역을 아신다면 유추가 가능할 겁니다. 궁금하면, 여기에 사진을 참고해보세요!
2.5 Load
흠흠, 근데 “로더”라는 친구가 아직 설명이 되지 않았네요. 프로그램도 만들어졌다, 그리고 각 메모리 영역에 들어가야 할 내용과 어플리케이션의 순서도 정해졌다, 그럼 남은 건 OS에서 실행하는 일만 남았겠죠? 이건 유추해보시길 바랍니다.
여기까지 프로그래밍 언어가 컴퓨터에서 실행되기 위한 과정을 살펴봤습니다. 조금 과정이 머릿속에 그려지시나요? 설명드린 내용은 정말 간략한 내용이구요, 번역과정은 빠르면 빠를 수록 좋잖아요? 이 과정 중에 어셈블리어 번역을 좀 더 빠르게 하기 위해 .i 대신 LLVM 컴파일러를 사용하기 위해 .ll 로 바꾸는 과정등 제사하게 들어가면 더 이야기가 많은데, 그건 다음번에 제가 사용하게 된다면 더 풀어보도록 하겠습니다.