Linking
링커
하나의 거대한 프로그램으로 구성하면 일부를 수정하더라도 전체를 다시 컴파일해야 하고 자주 사용하는 일부 함수만 가져와서 사용하려고 할 때 전체를 가져와야 하므로 비효율적이고 모듈 별로 관리가 불가능해 불편하다.
따라서 자주 사용되는 함수 등을 각각의 파일로 분리한다. 이 때 각 파일들을 컴파일하면 relocatable object file들이 된다.
relocatable object file은 외부에 정의된 함수, 변수에 대한 참조를 사용할 수 없는 상태이므로 실행 불가능하다.
Linker는 이러한 object file들을 하나로 묶어 실행 가능한 object 파일을 만들어내는 linking을 수행한다.
static linker
컴파일 타임에 linking을 수행한다.
다음 두 가지 핵심 작업을 처리한다.
Symbol resolution: 함수나 변수같은 symbol이 어떤 파일에 정의된 것인지 찾아 연결한다. 즉, definition과 reference를 연결해준다.
Relocation: 각각의 object 파일에서 코드는 코드끼리, 데이터는 데이터끼리 묶어 단일 text segment, data segment 등으로 만들어낸다. segment에 가상 메모리 주소를 할당하고
dynamic linker를 사용하지 않고 static linker만 사용할 경우 컴파일 시점에 프로그램이 실행하기 위한 모든 코드, 데이터가 들어간다.
dynamic linker
실행 중이거나 로딩될 때 linking을 수행한다.
컴파일러 드라이버
translation과 linking 과정을 수행해주는 도구이다.
preprocessor, compiler, assembler, linker를 사용한다.
gcc는 GNU C Compiler의 약자로, c언어의 컴파일러이다.
-O2 는 최적화 수준을 지정하는 옵션이다. 성능을 개선하기 위해 코드의 불필요한 부분을 제거하거나 반복을 줄이는 등의 최적화가 이뤄진다.
-g는 디버깅 정보를 포함하도록 하는 옵션이다. 컴파일된 바이너리 파일에 디버깅을 위한 추가 정보가 포함되며,
gdb와 같은 디버거를 통해 소스 코드 수준에서 디버깅이 가능하 다.-o는 object 파일의 이름을 지정하는 옵션이다.
맨 마지막에는 컴파일할 소스 파일을 지정해야 한다.
Object File
종류
컴파일러가 생성해내는 object 파일에는 다음과 같은 종류가 있다.
Relocatable object file
소스 코드를 컴파일하여 만들어진 파일
Executable object file
링커에 의해 여러 object 파일들이 실행 가능하도록 묶여 만들어진 파일
Shared object file
로드 혹은 런타임에 연결될 수 있는 형태로 만들어진 파일
포맷
ELF(Executable and Linkable Format)
현재 UNIX에서 object file에 대한 표준 바이너리 포맷이다.
모든 object file 종류에 대해 ELF 포맷이 적용된다.
아래와 같이 구성 요소가 나뉜다.
ELF header
파일을 실행할 때, 커널이나 로더가 프로그램을 어떻게 메모리에 로드하고 실행할지 결정하는 데 사용된다.
object file의 종류, 섹션 헤더의 위치(offset)
Segment header table
페이지 크기, 메모리 세그먼트의 주소, 페이지의 access permission 속성(readable, writable, ..) 이 저장된다.
Section header table
locators와 각 section들의 크기를 저장한다.
각 섹션은 고정된 크기를 갖는다.
.text section
함수 등 직접 작성한 코드를 저장한다.
.data section
초기화된 전역 변수
.bss section
초기화 되지 않은 전역 변수
초기화되지 않은 전역 변수에는 placeholder를 할당하여 object file에 임의의 초기 데이터를 저장하는 대신 로드될 때 초기화 코드에 의해 초기 데이터가 할당되도록 한다.
예를 들어 1000개의 원소를 갖는 int 배열(
int arr[1000])을 초기화하지 않은 전역 변수로 선언했을 때,.bss파일에는 placeholder만 저장되고, c에서 로드될 때 0이 1000개 들어간 초기 배열이 할당된다.
.symtab section
symbol table로, 함수와 전역 변수에 대한 인덱스가 저장된다.
.debug section
디버깅 시 필요한 추가적인 정보를 저장한다.
.line section
디버깅 시에 사용되는 정보를 저장하며, text에 있는 명령어와 소스 코드의 line과 매칭하는 정보를 저장한다.
.strtab section
.symtab, .debug에 속한 symbol들의 이름을 저장한다.
Life & Scope
object의 life는 메모리에 존재하는 지에 따라 달라지고, scope은 코드의 어떤 영역에서 접근 가능한 지에 따라 달라진다.
scope의 종류는 프로그램 전체에서 접근 가능한 global scope, 함수 내에서 접근 가능한 local scope, 파일내에서 접근 가능한 file scope가 있다.
따라서 object는 visible할 수 없지만 live한 상태일 수 있다.
local variable은 함수 내에 선언된 변수이므로 함수 호출 시 생성되고 결과 반환 시 사라진다.
static local variable은 함수 내에 선언되어 있고 static 공간에 할당되어 계속 메모리에 저장되어 있다. 따라서 항상 live하다.
global variable은 모든 object file에서 접근 가능하고 프로그램 시작 시 생성되고 프로그램이 종료 시 사라진다.
static variable은 함수 외부에 static으로 선언되어 static 공간에 할당되고 파일 내부에서만 접근이 가능하다.
Symbol
변수나 함수에 대한 참조(reference)를 의미하며, linker에서 사용되는 개념이다.
c 파일들에 존재하는 함수 이름, 전역 변수, 정적 변수 등이 컴파일되면 symbol이 된다.
global symbol
특정 모듈에 정의되어 있고 외부 모듈에서 접근이 가능한 symbol
함수 이름, 전역 변수는 여기에 해당한다.
global symbol을 선언된 파일에서 접근하면 local symbol이고, 외부 파일에서 접근할 경우 external symbol이라고 부른다.
Symbol table
컴파일러가 만들어내는 object들에 대한 정보이다.
object의 이름, 크기, 타입, 스코프 등의 정보가 저장된다.
프로그램 symbol은 strong, weak로 나뉜다.
strong symbol에는 모든 프로시져 함수 이름, 초기값을 갖는 전역 변수가 해당되며, 이름이 중복되면 안된다.
weak symbol은 초기값을 갖지 않는 전역 변수가 해당된다. 이름이 중복될 수 있으며, strong symbol의 이름과 중복될 경우 strong symbol이 우선시되고 weak symbol 끼리 이름이 중복되면 링커 임의대로 하나만 링킹된다.
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