2025.04.22
TIL(TODAY I LEARN)
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오늘한 내용 : CS - 링커 ~7.5, 7.9
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WEEK06: 메모리 누수, 균형 이진 탐색 트리(AVL Tree, Red-Black Tree)
7. 링커(Linker)
- 링크는 다양한 코드와 데이터를 하나의 파일로 모아, 메모리에 적재하고 실행할 수 있도록 만드는 과정임.
- 링크는 다음 시점 중 하나에 수행될 수 있음:
- 컴파일 시 (정적 링크)
- 로드 시 (실행 전에 링커가 수행됨)
- 실행 시 (동적 라이브러리 호출)
7.1 컴파일러 드라이버
- 대부분의 시스템에서
gcc와 같은 컴파일러 드라이버(driver)는 다음 네 단계를 자동으로 실행
| 단계 | 역할 | 명령어 예시 |
|---|---|---|
| 전처리 | 매크로 처리, 헤더 포함 | cpp main.c → main.i |
| 컴파일 | C → 어셈블리 변환 | cc1 main.i → main.s |
| 어셈블 | 어셈블리 → 목적 코드 변환 | as main.s → main.o |
| 링크 | 목적 코드 → 실행파일 생성 | ld main.o sum.o → prog |
7.2 정적 연결
- 정적 링크(static linking)는 여러 개의 재배치 가능한 오브젝트 파일(relocatable object files)들을 결합하여 완전히 링크된 실행 파일을 생성하는 과정
- 이 과정을 담당하는 프로그램은 보통
ld(링커)
1단계. 심볼 해석(Symbol Resolution)
- 심볼 : 변수명, 함수명 등 엔티티를 식별하기 위해 사용하는 이름
- 오브젝트 파일에는 정의된 심볼(함수, 전역 변수 등)과 참조된 심볼이 존재함
- 링커는 각 참조를 하나의 정의와 정확히 연결해야 함
- 예:
sum()함수가sum.c에 정의되어 있고main.c에서 참조됨- 링커는
main.o의 참조를sum.o의 정의와 연결
2단계. 재배치(Relocation)
- 컴파일러와 어셈블러는 코드와 데이터를 주소 0부터 시작하는 것처럼 생성
- 링커는 실제 실행 시 주소를 할당하고,
- 참조를 해당 주소로 수정
- 이 과정은 재배치 엔트리(relocation entry)를 통해 수행됨
7.3 목적 파일
오브젝트 파일(object file)은 기계어로 번역된 중간 결과물로, 컴파일 또는 어셈블 후 생성되는 파일임. 실행 파일이 아니며, 링커(linker)에 의해 다른 오브젝트 파일들과 합쳐져 실행 파일로 만들어짐.
오브젝트 파일의 3가지 형태
- 재배치 가능 목적 파일 - Relocatable object file (.o)
- 컴파일러와 어셈블러가 생성
- 여러 파일들과 함께 링크되어 실행파일 생성 가능
- 실행 가능 목적 파일 - Executable object file
- 링커가 생성
- 메모리에 적재되어 실행 가능한 상태
- 공유 목적 파일 - Shared object file (.so)
- 동적 링크를 위해 사용되는 특수한 relocatable 오브젝트 파일
- 로드 시점 또는 실행 시점에 동적으로 링크됨
- ELF는 Executable and Linkable Format 오브젝트 파일과 실행 파일의 표준 포맷
| ELF header | |
|---|---|
| Program Header table | |
| ELF 섹션 | 설명 |
.text | 기계어 코드 |
.rodata | 읽기 전용 데이터 (ex. printf 포맷 문자열) |
.data | 초기화된 전역/정적 변수 |
.bss | 초기화되지 않은 전역/정적 변수 (파일 공간은 차지하지 않음) |
.symtab | 심볼 테이블 (전역 변수, 함수 등) |
.rel.text | .text에 대한 재배치 정보 |
.rel.data | .data에 대한 재배치 정보 |
.debug | 디버깅 정보 |
.line | 소스 코드 라인 정보 |
.strtab | 심볼 이름 문자열 |
| Section header table |
7.4 재배치 가능 목적 파일
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ELF 헤더 : 바이트 순서, 워드 크기, 파일 타입, 대상 머신, 섹션 헤더 테이블 위치 등 정보
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섹션 : 실제 코드와 데이터
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섹션 헤더 테이블 : 각 섹션의 위치, 크기, 타입 등을 기술
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각 섹션 7.3의 표 참고
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목적 파일(.o) → 실행 파일 → 가상 메모리
.o파일 (Relocatable Object File).text,.data,.bss,.symtab,.rel.*,.debug등 다양한 ELF 섹션 포함- 이건 중간 결과물이고 실행 불가능함
- 컴파일러가 만든 조각들
- 링커(
ld)가 이 조각들을 결합하여 실행파일 생성- 링커는
.text섹션들을 하나로 합쳐 코드 영역 생성 .data,.bss도 마찬가지로 합쳐짐- 재배치 정보(
.rel.*)와 심볼 정보(.symtab)를 참고해서 주소 수정 작업 수행
- 링커는
- 운영체제 로더가 실행파일을 메모리에 적재
- 이때 ELF의 Program Header Table을 참고하여
.text→ 텍스트 세그먼트.data→ 데이터 세그먼트.bss→ BSS 세그먼트
.symtab,.debug,.rel.*같은 건 메모리에 올리지 않음
[스택] (상위 주소)
[ ]
[힙]
[BSS] ← .bss (0으로 초기화됨)
[DATA] ← .data (초기화된 전역/정적 변수)
[RODATA] ← 상수
[TEXT] ← .text (기계어 코드)7.5 심볼과 심볼 테이블
- 심볼(Symbol) :오브젝트 파일에서 심볼은 변수, 함수, 섹션 이름 링커는 심볼을 기반으로 함수 호출, 변수 참조 등을 서로 연결함.
| 종류 | 설명 |
|---|---|
| Global 정의 심볼 | 현재 모듈에서 정의되고 다른 모듈에서 참조 가능한 심볼→ int g = 3; |
| Global 참조 심볼 | 현재 모듈에서 참조하지만 정의는 다른 모듈에 있음→ extern int g; |
| Local 심볼 | 현재 모듈에서만 사용되는 심볼 (정적 변수, static 함수 등)→ static int a; |
| 변수 종류 | 선언 위치 | 키워드 | 저장 위치 | 수명 | 접근 범위 |
|---|---|---|---|---|---|
| 지역 변수 | 함수 내부 | 없음 | 스택(stack) | 함수 호출 중 | 함수 내부 |
| 정적 지역 변수 | 함수 내부 | static | .data/.bss | 프로그램 전체 | 함수 내부 |
| 전역 변수 | 함수 외부 | 없음 | .data/.bss | 프로그램 전체 | 모든 파일에서 접근 가능 |
| 정적 전역 변수 | 함수 외부 | static | .data/.bss | 프로그램 전체 | 선언된 파일 내부에서만 접근 가능 |
| 외부 변수 | 함수 외부 참조 | extern | 참조만 함 | 선언된 전역 변수 수명 따름 | 외부 파일의 전역 변수 참조 |
| 레지스터 변수 | 함수 내부 | register | 레지스터(요청) | 함수 호출 중 | 함수 내부 |
.symtab: 심볼 테이블
| 필드 | 의미 |
|---|---|
| name | 문자열 테이블(.strtab)의 오프셋 (심볼 이름 위치) |
| value | 섹션 내 오프셋 또는 런타임 주소 |
| size | 객체 크기 (바이트 단위) |
| type | 함수 or 데이터 |
| binding | local or global |
| section | 어떤 섹션(.text, .data 등)에 속하는지 |
- 특수 섹션 값
| 섹션 이름 | 의미 |
|---|---|
ABS | 절대 주소. 재배치 필요 없음 |
UNDEF | 정의되지 않은 심볼 (외부 심볼) |
COMMON | 초기화되지 않은 글로벌 변수 (링커가 할당 결정) |
7.9 실행 가능 목적파일의 로딩
- 7.9절은 “이미 링킹과 재배치가 끝난 실행 파일(a.out)”을 운영체제가 메모리에 어떻게 적재하고 실행하는가
- 즉,“링커 이후의 이야기” → “로더(loader)”의 역할을 설명해줌
linux> ./prog (== ./a.out) - 이미 재배치된 상태이기 때문에 섹션에
.rel존재하지 않음ㅏ - 주요 섹션:
.text,.data,.rodata,.bss,.init
그림 7.15 : 실행시 메모리 구조
----------------------------------
<높은 주소> 2^48 - 1
↓
[ Stack (↓ 방향 성장) ]
[ ↓ ]
[ ↑ ]
[ Shared libraries ]
[ ↑ ]
[ Heap (↑ 방향 성장, malloc 등) ]
[ BSS (zero-initialized data) ]
[ Initialized Data (.data) ]
[ Read-only Data (.rodata) ]
[ Code (.text) ]
↓
<낮은 주소> 0x400000- 실행 파일 로딩 과정 (정적 링크 기준)
1. 사용자가 실행 파일 실행 (ex: ./a.out)
2. → 쉘이 execve() 시스템 콜 호출
3. → 운영체제 커널의 로더(loader) 동작 시작
4. → ELF의 Program Header Table 읽음
5. → 각 세그먼트(.text, .data 등)를 메모리에 매핑 (mmap 등으로)
6. → 런타임 환경 준비 (stack, heap, 라이브러리 등)
7. → entry point 주소로 점프 (보통 _start → main 호출됨)
^_^