컴파일 과정

이 글에서는 우리가 짠 프로그램이 어떻게 컴파일되어 실행되는지 살펴볼 것이다.

먼저 아래와 같은 프로그램이 있다고 가정해보자.

#include <stdio.h>
#define MAX 5

int main(){
    printf("hello world\n");  //hello world를 출력
    int a = MAX;
    return 0;
}

이후 우리가 gcc hello.c 라는 명령어를 입력하면 아래와 같이 a.out파일이 생성된다.

이 a.out파일은 실행 가능한 목적 파일(executable object file)이다.

우리가 보기에는 hello.c파일이 바로 a.out파일로 변한 것으로 보여지지만 사실 내부적으로 전처리, 컴파일, 어셈블리, 링킹 과정을 모두 거친 것이다. 이제부터 그 과정을 하나하나 살펴보도록 하자.

전처리(hello.c→hello.i)

전처리 과정에서는 주석 제거, 헤더 파일 삽입, 매크로 치환 등의 작업을 한다. 즉 전처리 과정을 거친 후의 hello.c파일은 아래와 같이 변환될 것이다.

...
extern int ftrylockfile (FILE * __stream) __attribute__((__nowthrow__,__leaf__))
...

int main(){
    printf("hello world\n");  
    int a = 5;
    return 0;
}

#include <stdio.h>와 #define 매크로가 치환된 것을 확인할 수 있다. 또한 주석도 삭제되었다.

이제 실제로 확인해보자. gcc -E hello.c -o hello.i명령어를 입력하고 cat hello.i 명령어를 통해 hello.i파일을 읽어보도록 하자.

예상했던대로 전처리 과정이 잘 처리되었다. 참고로 위에서 입력한 명령어는 전처리 과정만 거친 결과물을 hello.i라는 이름으로 저장하라는 뜻이다.

• o filename: filename을 가지는 결과물을 만든다.
• E: 전처리 과정까지만 마치고 결과물 저장.
• S: 컴파일 과정까지만 마치고 어셈블리어 결과물 저장.
• c: 어셈블리 과정까지만 마치고 오브젝트 파일 결과물을 저장.

컴파일(hello.i→hello.s)

다음은 컴파일 과정이다. 컴파일 과정에서는 소스파일을 어셈블리어로 바꾼다. 또 문법 검사 및 static한 영역에 메모리를 할당한다.

만약 아래와 같은 간단한 코드가 있다면

int main(){
    int a = 5;
    return 0;
}

이런식으로 니모닉 심볼을 이용해 값을 바꿔준다.

main:
        pushq %rbp
        movq %rsp, %rbp
        movl $5, -4(%rbp)
        movl $0, %eax
        popq %rbp
        ret

실제로 위 코드를 입력한 뒤 컴파일 해보면 아래와 같은 결과를 얻을 수 있다.

gcc -S hello.c -o hello.s

어셈블리(hello.s → hello.o)

그 다음으로는 어셈블리 과정이 실행되는데 어셈블리어를 목적파일(object file)로 바꾸어 주는 과정이다. 여기서부터는 텍스트를 읽는 cat명령어가 아닌 objdump 명령어를 이용해야 한다. -d 옵션은 어셈블리로 역변환해 값을 출력하라는 뜻이다.

gcc -c hello.c -o hello.o
objdump -d hello.o

링킹

위에서 목적파일을 만들었으니 바로 실행이 가능할 것 같지만 아직 링킹 과정을 거쳐야 한다. 위에서 우리가 작성한 hello.c코드를 다시 보도록 하자.

#include <stdio.h>
#define MAX 5

int main(){
    printf("hello world\n");  //hello world를 출력
    int a = MAX;
    return 0;
}

printf함수는 standard C library함수이다. 그래서 printf.o라는 파일에 함수의 내용이 명시되어있다. 링킹과정은 이러한 파일 내에 정의되어있지 않은 함수의 내용을 연결해주는 역할을 한다. 이제 실제 링킹 과정을 거치기 전과 후를 직접 비교해보도록 하자.

최대한 간단하게 test.c파일을 아래와 같이 구성하고

#include <stdio.h>

int main(){
printf("hello world!");
return 0;
}

아래 test.c파일을 어셈블리 과정까지만 거친 뒤(링킹 전) 심볼 테이블을 살펴보자.

gcc -c test.c -o test.o
nm test.o  // 심볼 테이블을 보는 명령어

저기서 T는 텍스트파일에서 해당 심볼의 의미를 찾았다는 뜻이고, U는 undefined를 의미한다. 이제 링킹과정까지 거친 뒤 해당 파일의 심볼 테이블을 살펴보자.

기대 결과는 _printf의 U가 사라지거나 옆에 해당 명령어의 주소가 기입되는것인데 잘 되지 않는다. 이 부분은 추후 수정하겠다.