개발하는데 다 이유가 있겠지

컴퓨터 시스템(CS:APP)

인트로

아래와 같이 hello.c 프로그램의 수명주기를 따라가면서 주요 개념과 용어, 관련된 구성요소를 소개

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("hello, world\n");
    return 0;
}

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1.1 정보는 비트와 컨텍스트로 이루어진다.

• hello 프로그램은 소스 프로그램(소스파일)으로 생성되어 hello.c라는 텍스트 파일에 저장됨
  • 소스 프로그램 : 0과 1로 표시되는 비트(bit)들의 연속 / 바이트라는 8비트 단위로 구성
  • 각 바이트는 프로그램의 텍스트 문자를 나타냄
  • 대부분 컴퓨터 시스템은 텍스트 문자를 아스키(ASCII) 표준을 사용해 표시
    
    • 아스키 표준은 각 문자를 바이트 길이의 정수 값으로 나타냄
  • hello.c처럼 오로지 아스키 문자들로만 이루어진 파일들은 텍스트 파일, 다른 모든 파일은 바이너리 파일이라 부름
  • 모든 시스템의 내부 정보(디스크 파일, 메모리상의 프로그램, 데이터, 네트워크를 통해 전송되는 데이터)는 비트들로 구성
  • 서로 다른 객체를 구분하는 유일한 방법은 "컨텍스트(Context)"뿐임(컨텍스트)
    • 다른 컨텍스트에서는 동일한 일련의 바이트가 정수, 부동소수, 문자열 또는 기계어 명령을 의미할 수 있음

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1.2 프로그램은 다른 프로그램에 의해 다른 형태로 번역된다.

• 위의 hello 프로그램은 인간이 이해하고 읽을 수 있는 고급 C 프로그램으로 생성
• 이것을 시스템에서 실행시키기 위해서는 각 문장들은 여러 프로그램에 의해 저급 기계어 명령어들로 번역되어야 함
• 이 명령어들은 실행가능 목적 프로그램이라고 하는 형태로 합쳐져서 바이너리 디스크 파일로 저장
• 컴파일러 드라이버는 유닉스 시스템에서 소스파일에서 오브젝트 파일로 번역

linux> gcc -o hello hello.c

• GCC 컴파일러 드라이버(GNU C Compiler)는 소스파일 hello.c를 실행파일인 hello로 번역
• 번역은 전처리기(Pre-processor) / 컴파일러(Compiler) / 어셈블러(Assembler) / 링커(Linker)

 

출처 : https://sadie100.tistory.com/m/7

단계별 정리

1. 전처리 단계
   • 전처리기(cpp)에 의해 처리됨
   • 소스파일에 다른 파일의 텍스트를 포함시키거나 일부 문장을 다른 문장으로 바꾸는 작업을 수행
   • 전처리 명령어는 '#'기호로 시작하며, 본래의 C 프로그램을 해당 명령어에 따라 수정
     • #include <stdio.h>는 전처리기에게 시스템 헤더파일인 stdio.h를 프로그램 문장에 직접 삽입하라는 의미
   • 결과로 .i로 끝나는 새로운 C 프로그램이 생성됨(Text 파일)
2. 컴파일 단계
   • 컴파일러(cc1)에 의해 처리됨
   • 텍스트 파일 hello.i를 어셈블리어 프로그램이 저장된 텍스트 파일인 hello.s로 번역
     • 어셈블리어 : 저급 언어의 한 종류로, 기계어를 읽기 편한 형태로 번역한 언어
     • 어셈블리어는 여러 상위 수준 언어의 컴파일러들을 위한 공통의 출력 언어를 제공하기 때문에 유용(C, Fortran 컴파일러)
3. 어셈블리 단계
   • 어셈블러(as)에 의해 처리됨
   • hello.s 기계어 명령어를 번역하고, 이들을 재배치 가능한 목적프로그램의 형태로 묶어서 hello.o라는 목적파일에 결과를 저장
     • 목적 코드 : 사람이 알아볼 수 없는 기계어로 변환된 코드
     • 목적 파일 : 목적 코드로 이루어진 파일
   • 이 파일은 main 함수의 명령어들을 인코딩하기 위한 17바이트를 포함하는 바이너리 파일(파일을 열면 알아볼 수 없음)
4. 링크 단계
   • 링커(ld)에 의해 처리됨
   • 링킹이란 작성한 프로그램이 사용하는 다른 프로그램이나 라이브러리를 가져와 연결하는 과정을 뜻함
     • hello 프로그램이 호출하는 표준 C 라이브러리의 printf() 함수는 별도의 목적파일인 printf.o에 들어있음
   • hello.o파일과 통합하는 작업을 링커 프로그램이 수행
   • 링킹이 완료되면 실행가능 목적파일(실행 파일)로 메모리에 적재되어 시스템에 의해 실행

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1.3 컴파일 시스템이 어떻게 동작하는지 이해하는 것은 중요하다.

• 컴파일 시스템이 어떻게 동작하는지 이해해야하는 이유
  
  1. 프로그램 성능 최적화
     • C 프로그램 작성시 올바른 판단을 하기 위해서는 기계어 수준 코드에 대한 기본적인 이해를 할 필요가 있고,
       컴파일러가 어떻게 C 문장들을 기계어 코드로 번역하는지 알 필요가 있음
     • 예를 들어, switch문은 if-else문을 연속해서 사용하는 것보다 효율적인지, 함수 호출 시 발생하는 오버헤드는 얼마나 되는지, while 루프는 for 루프보다 더 효율적인지, 포인터 참조가 배열 인덱스보다 더 효율적인지 등을 알기 위해서는 해당 지식이 필요
  2. 링크 에러 이해하기
     • 가장 당혹스러운 프로그래밍 에러는 링커의 동작과 관련되어 있음
     • 예를 들어 링커가 어떤 참조를 풀어낼 수 없다고 할 때는 무엇을 의미하는가? 정적변수와 전역변수의 차이는 무엇인가? 만일 각기 다른 파일에 동일한 이름의 두 개의 전역변수를 정의한다면 무슨 일이 일어나는가? 등의 질문에 대한 대답을 배울 수 있음
  3. 보안 약점 피하기
     • 오랫동안 버퍼 오버플로우 취약성이 인터넷과 네트워크상의 보안 약점의 주요 원인으로 설명됨
     • 안전한 프로그래밍을 배우는 첫 단계는 무슨 일이 일어나는가? 등의 질문에 대한 대답을 배울 수 있음

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1.4 프로세서는 메모리에 저장된 인스트럭션(명령 집합)을 읽고 해석한다.

• 위의 과정을 통해 디스크에 저장된 hello 실행파일을 유닉스 시스템에서 실행하기 위해서 Shell(쉘)이라는 응용프로그램에 그 이름을 입력

linux> ./hello
hello, world
linux>

• 쉘은 커맨드라인 인터프리터로 프롬프트로 출력하고 명령어 라인을 입력받아 그 명령을 실행
  • 인터프리터(Interpreter) :  코드를 한 줄씩 읽어들여서 실행하는 프로그램
  • 프롬프트(prompt) : 컴퓨터가 입력을 받아들일 준비가 되어서 기다리고 있다고 알려주는 메시지. 위 예시에서는 linux>
• 만일 명령어 라인이 내장 쉘 명령어가 아니면 쉘은 실행파일의 이름으로 판단하고 그 파일을 로딩해서 실행
• 이 경우, 쉘은 hello 프로그램을 로딩하고 실행한 뒤 종료를 기다리며, 종료 이후에는 프롬프트를 출력해주고 다음 입력 명령어 라인을 기다림

1.4.1 시스템의 하드웨어 조직

hello 프로그램을 실행할 때 무슨 일이 일어나는지를 전형적인 시스템 하드웨어 조직을 통해 설명

• 버스(Buses)
  • 시스템 내를 관통하는 전기적 배선군을 버스라고 함
  • 컴포넌트들 간에 바이트 정보들을 전송함
  • 일반적으로 워드(word)라고 하는 고정 크기의 바이트 단위로 데이터를 전송하도록 설계됨
    • 한 개의 워드를 구성하는 바이트 수는 시스템마다 보유하는 기본 시스템 변수로, 오늘날 대부분의 컴퓨터들은 4바이트(32비트) 또는 8바이트(64비트) 워드 크기를 가짐
• 입출력 장치(I/O Device)
  • 시스템과 외부세계와의 연결을 담당
  • 입력용 키보드, 마우스, 출력용 디스플레이, 데이터 및 프로그램의 장기 저장을 위한 디스크 드라이브 등이 입출력 장치
  • 각 입출력 장치는 입출력 버스에서 컨트롤러나 어댑터를 통해 연결
    • 컨트롤러는 디바이스 자체에 있는 칩셋이거나 시스템의 마더보드에 장착
    • 어댑터는 마더보드의 슬롯에 장착되는 카드
    • 컨트롤러나 어댑터는 입출력 버스와 입출력 장치들 간에 정보를 주고받도록 함
• 메인 메모리(Main Memory)
  • 프로세서가 프로그램을 실행하는 동안 데이터와 프로그램을 모두 저장하는 임시 저장장치
  • 물리적으로 메인 메모리는 DRAM(Dynamic Random Access Memory) 칩들로 구성되어 있음
  • 논리적으로 메모리는 연속적인 바이트들의 배열로, 각각 0부터 시작해서 고유의 주소(배열의 인덱스)를 가지고 있음
    • 일반적으로 한 개의 프로그램을 구성하는 각 기계어 인스트럭션은 다양한 바이트 크기를 가짐
• 프로세서(Processor)(=CPU)
  • 주처리장치(CPU)라고도 함
  • 메인 메모리에 저장된 명령어들을 해독(실행)하는 엔진
  • 프로세서의 중심에는 워드 크기의 저장장치(혹은 레지스터)인 프로그램 카운터(PC)가 있음
    • PC는 다음에 실행될 명령어의 주소를 가리킴
  • 프로세서는 프로그램 카운터가 가리키는 곳의 명령어를 반복적으로 실행하고, 프로그램 카운터 값이 다음 명령어의 위치를 가리키도록 업데이트
  • 다음은 명령어 요청에 의해 CPU가 실행하는 단순한 작업의 예
    • 적재(Load) : 메인 메모리에서 레지스터에 한 바이트 또는 워드를 이전 값에 덮어쓰는 방식으로 복사한다.
    • 저장(Store) : 레지스터에서 메인 메모리로 한 바이트 또는 워드를 이전 값을 덮어쓰는 방식으로 복사
    • 작업(Operate) : 두 레지스터의 값을 ALU로 복사하고 두 개의 워드로 수식연산을 수행한 뒤, 결과를 덮어쓰기 방식으로 레지스터에 저장
    • 점프(Jump) : 명령어 자신으로부터 한 개의 워드를 추출하고, 이것을 PC에 덮어쓰기 방식으로 복사

1.4.2 hello 프로그램의 실행

hello 프로그램이 실행되는 과정을 하드웨어 조직을 바탕으로 설명

1. 처음에 쉘 프로그램은 사용자가 명령을 입력하기를 기다린다. 이용자가 쉘에 “.\hello”를 입력하면 쉘 프로그램은 각각의 문자를 레지스터에 읽어들인 후 메모리에 저장함
2. 키보드에서 엔터를 누르면 쉘은 명령 입력을 끝마쳤음을 이해하고 파일 내의 코드와 데이터(”hello, world\n” 스트링 데이터 포함)를 복사하는 일련의 명령어를 실행하여 실행파일 hello를 디스크에서 메인 메모리로 로딩
3. 데이터는 직접 메모리 접근 기법을 이용해 프로세서를 거치지 않고 디스크에서 메인 메모리로 직접 이동
4. hello 목적파일의 코드와 데이터가 메모리에 적재된 후, 프로세서는 hello 프로그램의 main 루틴의 기계어 명령어를 실행
5. 이 명령어들은 “hello, world\n” 스트링을 메모리로부터 레지스터 파일로 복사하고, 거기로부터 디스플레이 장치로 전송하여 화면에 글자들이 표시