프로그램 빌드 과정

[프로그램 빌드 도구]

전처리기 (Preprocessor)

• 소스 코드에서 #include, #define 등과 같은 전처리 지시어를 처리하고, 소스 파일을 전처리된 상태로 만든다.
• 전처리 결과는 전처리된 소스 파일로 나타난다.

컴파일러 (Compiler)

• 전처리된 소스 파일을 어휘 분석, 구문 분석, 의미 분석을 통해 어셈블리 언어(Assembly Code)로 변환한다.
• 이 과정에서 소스 코드가 어셈블리 코드로 변환된다.

어셈블러 (Assembler)

• 어셈블리 코드를 기계어(Machine Code)로 변환하고, 각 소스 파일마다 오브젝트 파일(Object File)을 생성한다.
• 이 파일은 CPU가 직접 이해할 수 있는 기계어 코드와 메타 데이터를 포함하고 있다. (확장자 .obj 또는 .o)

링커 (Linker)

• 여러 개의 오브젝트 파일(보통 소스 파일마다 하나의 오브젝트 파일이 생성됨)을 링킹하여 하나의 실행 파일을 생성한다.
• 이 과정에서 함수와 변수에 대한 외부 참조(External Reference)를 해결하고, 여러 오브젝트 파일을 결합하여 하나의 실행 가능한 프로그램으로 만든다.

 

[프로그램 빌드 과정]

1. 전처리 단계(전처리기)

전처리 단계에서는 주로 헤더 파일을 포함시키고, 매크로를 처리하며, 코드의 조건부 컴파일 등을 수행한다.

전처리기는 주로 다음과 같은 작업을 한다.

1. 헤더 파일 포함 처리 (#include):
   • #include 지시어를 만나면, 전처리기가 해당 헤더 파일의 내용을 소스 코드에 복사하여 붙여넣는다.
   • 예를 들어, #include <stdio.h>라는 코드가 있을 때, stdio.h 헤더 파일의 모든 내용이 해당 위치에 복사된다.
   • 헤더 파일에는 보통 함수 선언(프로토타입), 매크로 정의, 전역 변수 선언 등이 포함되어 있다.
   • 즉, 전처리 단계에서 헤더 파일의 내용은 소스 코드에 실제 텍스트 형태로 대체되기 때문에, 전처리 후에는 모든 헤더 파일의 내용이 소스 파일에 합쳐진 상태가 된다.
2. 매크로 처리 (#define):
   • #define으로 정의된 매크로가 있을 때, 전처리기는 해당 매크로를 소스 코드에서 정의된 값으로 대체한다.
   • 예를 들어, #define PI 3.14가 있으면, PI가 등장하는 모든 부분을 3.14로 대체한다.
3. 조건부 컴파일 (#ifdef, #ifndef):
   • #ifdef, #ifndef 같은 조건부 컴파일 지시어는 특정 조건에 따라 코드의 일부를 포함하거나 제외할 수 있도록 한다.
   • 전처리기는 이 조건을 평가하여, 조건에 맞는 코드만 소스 코드에 포함한다.

전처리 후의 결과

• 전처리기가 모든 #include, #define 등을 처리하고 나면, 하나의 소스 파일이 만들어지게 된다.
• 이 소스 파일은 헤더 파일(.h) 의 내용이 모두 포함되어 있으며, 모든 매크로와 조건부 컴파일이 처리된 최종 소스 파일의 형태를 갖는다.
• 따라서, 전처리 후에는 헤더 파일이 따로 필요하지 않다.
• C++ 같은 언어의 경우 파일 분할&사용을 잘 고려하지 않으면(필요없는 헤더파일 포함 등) 전처리 단계에서 소스코드의 코드량이 너무 커져버려 용량이 늘어나고 성능의 이슈가 될 수 있다.

2. 컴파일 단계(컴파일러, 어셈블러) → 오브젝트 파일 생성

• 전처리된 소스 파일을 컴파일하면, 각 소스 파일(ex .c, .cpp)은 오브젝트 파일(.o, .obj)로 변환된다.
• 이 오브젝트 파일에는 소스 코드의 기계어 버전과, 외부 참조(External References)에 대한 정보가 포함된다.
  • 외부 참조란, 다른 소스 파일에서 정의된 함수나 변수를 참조할 때 발생하는 것으로, 해당 함수나 변수의 메모리 위치는 아직 할당되지 않은 상태다.

3. 링킹 단계(링커)

링킹 단계에서는 여러 오브젝트 파일을 결합하여 하나의 실행 파일을 만든다.

링커는 다음과 같은 작업을 수행한다.

1. 외부 참조 해결:
   • 링커는 각 오브젝트 파일에서 사용된 외부 참조를 해결한다.
   • 예를 들어, main.c 파일에서 util.c의 void func() 함수를 호출한다고 가정해보자. 컴파일 시 main.o는 func()에 대한 외부 참조를 가지고 있지만, 함수의 실제 정의는 없다.
   • 링커는 main.o와 util.o를 결합하여 func()의 실제 정의를 찾아서 참조를 해결하고, 두 파일을 연결해준다.
2. 라이브러리 파일 연결:
   • 링커는 정적 라이브러리(.lib 또는 .a 파일)나 동적 라이브러리(.dll, .so 파일)와 연결하여, 오브젝트 파일이 필요로 하는 외부 참조를 라이브러리에서 찾고 이를 결합한다.
   • 예를 들어, printf() 함수는 stdio.h 헤더 파일에 선언되어 있지만, 실제 printf()의 정의는 libc 라이브러리 파일에 있다.
   • 링커는 printf()에 대한 참조를 해결하기 위해 libc 라이브러리를 참조하여 printf()의 기계어 코드를 포함시키거나, 동적 라이브러리의 주소를 참조하도록 한다.
3. 최종 실행 파일 생성:
   • 모든 오브젝트 파일과 라이브러리가 결합된 후, 링커는 최종적으로 운영체제가 실행할 수 있는 하나의 실행 파일(Executable File)을 생성한다.
   • 이 실행 파일은 운영체제가 직접 로드하고 실행할 수 있는 형태로, 모든 참조가 해결된 상태이다.
   • 단순히 기계어 코드뿐만 아니라, 프로그램이 실행되기 위해 필요한 메타 데이터와 시작 주소, 라이브러리 참조 정보 등을 포함한다.

실행 파일의 형태:

• 최종 실행 파일은 보통 다음과 같은 형태를 가진다:
  • Windows: .exe 확장자의 실행 파일이 생성된다.
  • Linux/Unix: .out, .elf 또는 확장자가 없는 실행 파일이 생성된다.
  • macOS: .app 또는 실행 파일 형태로 생성된다.

 

[리눅스를 통한 빌드 과정 예시]

소스코드

• main.c
• util.c

1. 컴파일:

gcc -c main.c -o main.o
gcc -c util.c -o util.o​

• 이 명령어는 각각 main.c와 util.c를 컴파일하여 main.o와 util.o 오브젝트 파일을 생성한다.

2. 링킹:

gcc main.o util.o -o my_program​

• 이 명령어는 main.o와 util.o를 결합하여 my_program이라는 실행 파일을 생성한다.

추가로 Makefile을 작성하면, 저 과정들(컴파일, 링킹 등)을 Makefile 안에 정의해두고 make 명령어만으로 한 번에 빌드할 수 있다.
Makefile을 사용하면 반복적인 컴파일 및 빌드 작업을 자동화하고, 소스 파일이 많을 때 효율적으로 관리할 수 있다.