Computer System : 7.링커 Linking_part1

⚙️ 컴파일 시스템

7단원의 링커를 공부하기 전에 1단원에서 살펴봤던 위 그림에서 보여지는 컴파일 시스템을 먼저 살펴보자.
우리가 작성하는 hello.c라는 프로그램은
전처리기 ➡️ 컴파일러 ➡️ 어셈블러 ➡️ 링커 단계를 거쳐서 시스템에 의해 실행될 수 있다.

이번 포스팅에서는 위 단계 중 링커 단계에 대해 알아보려고 한다.

💭 Linking 이란?

여러 개의 코드와 데이터를 모아서 연결하여 메모리에 로드될 있고 실행될 수 있는 한 개의 파일로 만드는 작업

• 이들이 독립적인 컴파일을 가능하게 하기 때문에 소프트웨어 개발 시에 중요한 역할을 수행한다.
• 링킹은 대게 링커에 의해 처리

⏱️ Linking 타이밍

링킹은 상황에 따라 프로그램 환경에 따라 다른 시점에서 수행할 수 있다.

1.Compile Time(컴파일시) : 전통적인 정적 링크
2.Load Time(로드시) : 프로그램 실행 전 동적 라이브러리 로딩
3.Run Time(실행시) : 플러그인, .so 등 실행 중 로딩

👩🏻‍💻 Linking 을 배우는 이유

위에서 말했던 것처럼 링킹 과정은 대게 링커에 의해 처리되며,
규모가 작은 프로그램 작성시에는 그다지 중요한 주제는 아니다.

⁉️ 그렇다면 왜 배우는가?

• 큰 프로그램을 작성하는 데에 도움이 된다.
  • 종종 모듈 또는 라이브러리에 의한 오류가 발생하는데
    링커의 참조 해결 방식을 알면 도움이 된다.
• 위험한 프로그래밍 에러를 피할 수 있다.
  • 링커가 심볼 참조를 해결할 때에 프로그램의 정확성에 미미한 영향을 줄 수 있음을 알 수 있다.
• 언어의 변수 영역 규칙을 알 수 있다.
  • 전역/지역 변수의 차이는 무엇인가? / static은 무슨 의미인가?
• 다른 중요한 시스템 개념을 이해할 수 있다.
  • 링커가 만든 파일은 시스템 함수, 가상메모리, 페이징 등에서 중요한 역할을 한다.
• 공유 라이브러리에 대해 이해할 수 있다.
  • 현대 운영체제에서 공유 라이브러리와 동적 링킹의 중요성이 높아졌다.

💬 이러한 링킹이 어떻게 이루어지는지 이해하기 위해서는, 이 과정을 누가 어떤 순서로 실행하는지도 알아야 하며
그 역할을 담당하는 것이 바로 컴파일러 드라이버이다.

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🤖 컴파일러 드라이버

대부분의 컴파일 시스템은 프로그램의 실행을 위해 사용자를 대신해서
언어 전처리기, 컴파일러, 어셈블러, 링커를 필요에 따라 호출하는 주체를 제공하는데
이를 컴파일러 드라이버라고 하며 예를 들면 GNU 컴파일 시스템의 GCC 드라이버가 있다.

🔢 GCC 컴파일 파이프라인 단계

1️⃣ cpp [other arguments] main.c /tmp/main.i

• 명령어: cpp
  GNU C PreProcessor(전처리기) 실행
• [other arguments]: GCC가 자동으로 넘기는 전처리 옵션들
  (예: 매크로 정의 -D, 인클루드 경로 -I 등)
• main.c: 전처리할 C 소스 파일
• /tmp/main.i: 전처리된 C 코드 출력 경로 (.i 확장자)

📌 요약: main.c를 읽어 매크로/헤더 포함을 모두 처리한 결과를 /tmp/main.i에 저장

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2️⃣ cc1 /tmp/main.i -Og [other arguments] -o /tmp/main.s

• 명령어: cc1
  GNU C Compiler 실행 (C → 어셈블리)
• /tmp/main.i: 전처리된 입력 C 파일
• -Og: 디버깅 친화적 최적화 수준 (일부 최적화 적용, 디버그 정보 유지)
• [other arguments]: GCC 내부 최적화/경고 옵션 등
• -o /tmp/main.s: 어셈블리 코드 출력 경로 지정 (.s 확장자)

📌 요약: 전처리된 C 코드(/tmp/main.i)를 어셈블리(/tmp/main.s)로 변환

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3️⃣ as [other arguments] -o /tmp/main.o /tmp/main.s

• 명령어: as
  GNU Assembler(어셈블러) 실행
• [other arguments]: 아키텍처/경고 제어 등의 어셈블러 옵션
• -o /tmp/main.o: 출력 목적 파일 경로 (.o 확장자)
• /tmp/main.s: 입력 어셈블리 파일

📌 요약: 어셈블리(/tmp/main.s)를 기계어 목적 파일(/tmp/main.o)로 변환

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4️⃣ ld -o prog [system object files and args] /tmp/main.o /tmp/sum.o

• 명령어: ld
  GNU Linker(링커) 실행
• -o prog: 출력 실행 파일 이름을 prog로 지정
• [system object files and args]:
  표준 라이브러리, 시작 코드(startup code, 예: _start 정의)와 관련된 시스템 목적 파일들
  (예: /usr/lib/crt1.o, /usr/lib/libc.so 링크 옵션 등)
• /tmp/main.o /tmp/sum.o: 링크할 사용자 목적 파일 목록

📌 요약: main.o, sum.o와 시스템 목적 파일·라이브러리를 결합해 실행 파일 prog 생성

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5️⃣ linux> ./prog

• linux 쉘은 운영체제 내의 함수인 Loader라는 함수를 호출하고, 로더는 실행파일 prog의 코드와 데이터를 메모리에 복사하고 제어를 프로그램의 시작 부분으로 전환

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📌 전체 흐름

1. cpp: 매크로/헤더 전처리 → .i
2. cc1: C → 어셈블리 → .s
3. as: 어셈블리 → 기계어(.o)
4. ld: 여러 .o + 라이브러리 → 실행 가능 파일

💬 즉, 컴파일러 드라이버는 링킹까지 포함한 전체 빌드 과정을 자동으로 수행한다.
이제 이 중에서도 우리가 집중할 정적 링크 과정의 구체적인 동작을 살펴보려고 한다.

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✋🏻 정적 링크

정적링크들은 재배치 가능한 목적파일들과 링크 명령 인자(라이브러리, 옵션 등) 들을 입력으로 받아들여서 로드, 실행될 수 있는 완전히 링크된 실행 가능 목적파일을 출력으로 생성한다.

➡️ 이렇게 실행 파일을 만들기 위해서 링커는 두가지 주요 작업을 수행해야 한다.

💬 심볼 해석(symbol resolution)

여러 개의 오브젝트 파일과 라이브러리를 결합하는 과정에서,
각 심볼(함수, 전역 변수, 정적 변수 등)의 참조를 해당 심볼이 정의된 위치와 연결한다.
이 단계에서 심볼 이름 → 심볼 정의(섹션, 오프셋) 매핑이 이루어진다.

🔄 재배치(Relocation)

컴파일러와 어셈블러가 생성한 목적 파일은 각 섹션이 주소 0부터 시작한다고 가정한다.
재배치 엔트리(relocation entry) 에 기록된 지시사항을 기반으로,
링커는 각 심볼 정의와 참조의 주소를 실제 가상 메모리 주소로 수정한다.
즉, 코드와 데이터 섹션을 메모리 내에서 올바른 위치에 배치하고,
해당 위치를 가리키는 모든 참조를 새 주소로 갱신한다.

💬 정적 링크를 제대로 이해하려면, 링크의 입력과 출력이 어떤 형식의 파일인지부터 알아야 하며,
이를 위해 목적 파일(Object File)의 종류를 먼저 살펴보려고 한다.

🗃️ 목적 파일

📁 재배치 가능 목적파일(Relocatable object file)

• 실행 가능 목적파일을 생성하기 위한 파일로 다른 재배치 가능 목적파일들과 결합될 수 있는 바이너리 코드와 데이터를 포함하는 파일이다.

📁 실행 가능 목적파일(Executable object file)

• 메모리에 직접 복사될 수 있고 실행될 수 있는 형태로 바이너리 코드와 데이터를 포함하는 파일이다.

📁 공유 목적파일(Shared object file)

• 로드타임 또는 런타임시에 동적으로 링크되고 메모리에 로드될 수 있는 특수한 유형의 재배치 가능 목적 파일이다.

컴파일러와 어셈블러는 재배치 가능 목적파일을, 링커는 실행 가능 목적파일을 생성한다.

cf) 목적파일들은 특정 목적파일 형식에 따라 구성되며, 이들은 시스템에 따라 다르다.

• Unix - a.out / Windows - PE / Linux,Unix - ELF

📂 재배치 가능 목적파일

위의 그림은 전형적인 ELF 재배치 가능 목적파일의 포맷을 보여준다
( ELF : 리눅스나 유닉스 계열 시스템에서 실행 파일, 목적 파일(.o), 공유 라이브러리(.so), 코어 덤프를 저장하는 표준 파일 포맷 )

재배치 가능 목적 파일은 크게 세 부분으로 나눌 수 있다.

1️⃣ ELF header

파일 맨 앞에 위치하며, 링커가 목적파일을 구문 분석을 하고 해석하도록 하는 메타데이터들이 포함되어 있다.

• 목적 파일 타입(재배치 가능/실행 가능/공유 객체)
• CPU 아키텍처(x86-64 등)
• 엔디안(little/big)
• 섹션 헤더 위치, 프로그램 헤더 위치, 엔트리 포인트(실행 파일의 경우) 등

2️⃣ Section

각 섹션에는 코드, 데이터, 심볼 정보, 재배치 정보 등이 들어간다.

섹션 이름	내용
.text	컴파일된 어셈블리어 코드(함수 본문)
.rodata	읽기 전용 데이터 (문자열 리터럴, const 상수 등)
.data	초기화된 전역·정적 변수
.bss	초기값이 없는 전역·정적 변수 (파일에 데이터는 없음, 크기 정보만)
.symtab	심볼 테이블 (함수·변수·섹션 이름과 속성, 주소 등)
.rel.text / .rela.text	.text 섹션 내 재배치 정보 (외부 심볼 참조 위치, 수정 방법)
.rel.data / .rela.data	.data 섹션 내 재배치 정보
.debug	디버그 정보(DWARF 등)
.line	소스 코드 라인 매핑 정보
.strtab	문자열 테이블(심볼 이름 저장)

3️⃣ Section header table

파일 끝부분에 위치하며, 모든 섹션의 이름, 타입, 크기, 파일 오프셋, 메모리 주소 등을 기록하는 섹션이다.
링커·디버거가 파일을 읽을 때, 이 정보를 바탕으로 각 섹션을 찾아간다.

📦 .data vs .bss 비교 정리

구분	.data	.bss
용도	초기값이 있는 전역/정적 변수 저장	초기값이 없거나 0으로 초기화된 전역/정적 변수 저장
파일 크기 반영	실제 초기값 데이터가 포함되므로 파일 크기에 반영됨	데이터 없이 크기 정보만 기록되므로 파일 크기에 반영되지 않음
예시 코드	int count = 5;	int total; (자동으로 0으로 초기화)
메모리 로딩 시 동작	파일에 저장된 초기값을 로딩	OS가 메모리에 할당 후 0으로 초기화

• 목적파일 포맷은 공간효율성을 위해 초기화한, 초기화하지 않은 변수를 구분한다.
  • 초기화하지 않은 변수는 실제 디스크 공간을 차지할 필요가 없다.

💬 재배치 가능 목적 파일의 핵심에는 심볼과 심볼 테이블이 있다.
결국 이 정보가 있어야 링커가 심볼의 참조와 정의를 올바르게 연결할 수 있다.

📜 심볼과 심볼 테이블(Symbol Table)

각 재배치 가능 목적 모듈(relocatable object module) m은
m에서 정의되거나 참조되는 심볼에 대한 정보를 담은 심볼
테이블을 가진다.

링커 관점에서 심볼은 3가지 종류로 나뉜다.

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🔹 3가지 심볼 종류

1. Global Symbols (정의된 글로벌 심볼)
   • 정의: 모듈 m에서 정의되고, 다른 모듈에서도 참조 가능
   • 대응: nonstatic C 함수, 전역 변수
     📍 즉, 내가 만든 심볼이고 다른 사람도 쓸 수 있는 심볼
2. External Symbols (외부 글로벌 심볼)
   • 정의: 모듈 m에서 참조하지만, 다른 모듈에서 정의됨
   • 대응: nonstatic C 함수, 전역 변수 (다른 모듈에 정의)
     📍 즉, 다른 사람이 만들었고 내가 쓸 수 있는 심볼
3. Local Symbols (로컬 심볼)
   • 정의: 모듈 m에서만 정의 및 참조
   • 대응: static 함수, static 전역 변수
   • 특징: 모듈 외부에서 접근 불가
     📍 즉, 내가 만들었고 나만 쓸 수 있는 심볼

⚠️ 주의: Local Symbol ≠ 지역 변수

• .symtab 심볼 테이블에는 지역(nonstatic) 변수는 포함되지 않음
  (런타임에 스택에 할당되며 링커와 무관)
• static 지역 변수는 예외적으로 .data 또는 .bss에 저장되고,
  심볼 테이블에 고유한 이름으로 기록됨

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🛠 심볼 테이블 구성 (ELF .symtab)

필드	설명
name	문자열 테이블(.strtab) 내 이름의 오프셋 값
value	심볼의 주소 - 재배치 가능 파일: 섹션 시작으로부터의 오프셋 - 실행 파일: 절대 런타임 주소
size	객체 크기(바이트)
type	데이터(data) 또는 함수(function)
binding	로컬(local) 또는 글로벌(global)
section	심볼이 속한 섹션의 헤더 인덱스 (특수 값: ABS = 절대 주소, UNDEF = 외부 정의, COMMON = 미할당 전역 변수)

📌 COMMON vs .bss

구분	의미
COMMON	초기화되지 않은 전역 변수
.bss	초기화되지 않은 static 변수, 0으로 초기화된 전역·정적 변수

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💡 정리

이번 글에서는 컴파일 시스템 속에서 링커가 어떤 위치에 있고, 링킹의 개념과 필요성, 그리고 이를 실제로 실행하는 컴파일러 드라이버의 역할을 살펴보았다.
또한, 정적 링크 과정의 큰 흐름과 이를 이해하기 위한 전제 지식으로서 목적 파일의 종류와 구조, ELF 재배치 가능 목적 파일의 구성, 그리고 심볼과 심볼 테이블의 기본 개념에 대해서 살펴보았다.

즉, 프로그램이 실행 파일로 완성되기 전, 링커가 다루는 ‘재료’와 그 ‘재료의 정보’를 확인한 셈이다.

다음 글에서는 이 재료들이 실제로 어떻게 연결되고 배치되는지에 초점을 맞춘다.

구체적으로, 심볼 해석(Symbol Resolution) 과정에서 링커가 참조와 정의를 어떻게 연결하는지,
재배치(Relocation)를 통해 주소를 어떻게 수정하는지,
그리고 최종적으로 실행 가능 목적 파일이 완성되는 과정을 단계별로 살펴볼 예정이다.