[🧱|CS] printf 만들기! printf 만들기!!!!

So, when I read C, I know what the assembly language will look like, and that's something I care about.

C를 읽으면 어셈블리어가 어떻게 생겼는지 알 수 있고, 그것이 제가 신경 쓰는 부분입니다.

-- 리누스 토르발스(리눅스 커널과 Git 시스템의 창시자)
https://www.youtube.com/watch?v=CYvJPra7Ebk

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printf는 왜 만드나요?

우리는 학교에서 컴퓨터 과학을 공부하면서 운영체제, 컴퓨터 구조 등을 배우지만, 실제 프로젝트를 진행할 때는 React, JavaScript, Node.js, Express, Python, Next.js, Java, Spring 같은 매우 고수준 언어와 프레임워크를 다루게 된다.

프로그래밍 언어의 스팩트럼

생각해보면 이런 현상은 꽤나 괴리감이 든다. 학교에서 배우는 CS 과목은 대부분 이론을 다루고, 우리는 1~2주 동안 최선을 다해 암기를 완료한 지식으로 시험을 본다.

반면, 유행하는 프레임워크를 다루기 위해서는 따로 많은 시간을 들여 공부하고 연습한다. 그럴 때마다 "이럴 거면 학교에서도 프레임워크를 가르치면 되는 거 아닐까?"라는 생각이 드는 것이 사실이다. 실제로, 프레임워크를 몇 달간 집중적으로 가르쳐 취업을 목표로 하는 여러 부트캠프가 유행하는 현실 때문에 이러한 의문은 언제나 우리를 불편하게 만들었다.

불편함은 때때로 공포로 변해 "CS 공부에 낭비할 시간으로 프레임워크를 공부하자!!!"와 같은 극단적인 주장으로 이어지기도 한다. 하지만 당연하게도 이는 정답이 아니라고 생각한다. 적어도 n년의 시간을 쏟아서 CS를 공부해야하는 환경에 놓여 있다면 더욱 그렇다.

그렇다면 CS는 왜 중요한 걸까? 그것은 우리가 좋아하는 고수준의 프레임워크 들이 모두 튼튼하고 검증된 낮은 추상화 수준의 CS 기반 위에서 꽃을 피운 것들이기 때문이다!

고대 인도인들의 전설 속 지구의 모양

코끼리는 대체되거나 바뀔 수 있다. 그러나 그들의 기반이 되는 거북이는 정말 오랜 시간 건재하다. 거북이를 이해하고 있다면, 빠르게 바뀌는 코끼리를 그 위에 올려놓는 것은 수월하게 할 수 있다. 그럼 거북이는 무엇일까? 그것은 컴퓨터 구조, 운영체제 그리고 이들과 직접적으로 소통하는 C언어라고 생각한다. 여기서 C언어에 주목해보자.

printf 만들기

printf(”hello world”)

분류에 따라 다르긴 하지만, 일반적으로 C언어는 기계어와 가까운 저수준 언어라고 배웠다. 그러나 C언어에서 가장 유명한 함수인 printf를 토발스의 말처럼 어셈블리어로 즉시 치환해서 생각할 수 있는가? 당연하지만 그것은 불가능하다.

a = b + c
→ add r1 r2 r3

for (i = 0; i < 10; i++) …
→ beq ··· j ··· ~

printf(”hello %s!!”, “word”)
→ …..?

그렇다. printf는 낮은 수준의 언어라고 여겨지는 C에서 가장 대표격으로 흔히 쓰이지만, 사실 알고 보면 이 함수도 추상화 수준이 높은 매우 고수준 함수였다! 우리는 printf를 사용했을 때, 컴퓨터가 어떤 일을 하는지 상상하기 어렵다!

이는 내부적으로는 출력을 위해 운영 체제의 시스템 콜인 write 함수를 호출하는데, printf는 이 write를 포맷팅 기능으로 감싸서 더 편리하게 만들어주는 포장지 역할을 하고 이를 감추고 있는 것이다.

또다른 포장의 예

그렇다면 시스템 콜이란 무엇인가?

시스템 콜(System Call)이란 운영 체제와 응용 프로그램 간의 인터페이스 역할을 하는 함수 호출을 말한다. 시스템 콜을 통해 프로그램은 운영 체제의 커널에 접근하여 하드웨어 자원에 직접 접근하거나, 파일 입출력, 프로세스 제어 등의 작업을 수행할 수 있다.*

예를 들어, 우리가 직접 구현한 printf 함수에서 사용하게될 write 함수도 시스템 콜의 일종으로, 커널을 통해 출력 장치에 데이터를 쓰는 역할을 한다.

시스템 콜 함수는 커널과 하드웨어에 직접 접근한다. 따라서 시스템 콜의 동작을 C 언어로 직접 설계하고 작성할 수는 없으며, 운영 체제의 커널과 통신하기 위해 어셈블리 언어로 구현된다. write 함수도 내부적으로 어셈블리 코드로 작성되어 있고 커널에 자신의 요청을 전달한다.

그래서 문득 이런 생각이 들었다. 진짜 저수준의 방식으로, 오직 write와 몇가지 시스템 콜 함수만 사용해 직접 printf를 만들어 보면 어떨까? 이제 <stdio.h> 같은 고수준 라이브러리 없이 정말 맨땅부터 printf를 만들어 보자!

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나의 ft_printf의 설계 개요

우선, ft_printf.h 헤더 파일에서는 함수들을 정의하고 필요한 라이브러리를 포함시켰다. 또한, 필요한 유틸리티 함수들도 모두 직접 구현하여 프로젝트의 모든 부분을 완전히 이해하고 통제할 수 있도록 했다. 우리의 ft_printf는 write 시스템 콜을 이용해 문자 출력을 구현하며, C 표준 라이브러리의 printf와 유사한 형태로 작동한다. 또한, 가변 인자 리스트를 다루기 위해 stdarg.h를 포함하여 다양한 타입의 인자를 처리할 수 있도록 했다.

#ifndef FT_PRINTF_H
# define FT_PRINTF_H
# include <unistd.h>
# include <stdlib.h>
# include <stdarg.h>

int ft_printf(const char *format, ...);
...
#endif

핵심 구현: ft_printf.c

ft_printf의 핵심은 포맷팅 문자열을 순회하면서, % 문자를 만나면 해당 타입의 데이터를 print_va 함수를 통해 출력하는 것이다. print_va 함수는 인자 타입에 따라 알맞은 출력 함수를 호출한다.

• %c : 단일 문자 출력
• %s : 문자열 출력
• %d, %i : 정수 출력
• %u : 부호 없는 정수 출력
• %p : 포인터 주소 출력
• %x, %X : 16진수 출력

int ft_printf(const char *format, ...)
{
    va_list ap;
    int i = 0;
    int len = 0;
    int tmp;

    va_start(ap, format);
    while (format[i])
    {
        if (format[i] == '%')
        {
            tmp = print_va(format[++i], ap);
            i++;
        }
        else
            tmp = write(1, &format[i++], 1);
        if (tmp == -1)
            return (-1);
        len += tmp;
    }
    va_end(ap);
    return (len);
}

직접 구현한 ft_printf는 포맷 문자열을 해석해 출력할 값을 결정하고, 각 타입에 맞는 출력 함수를 호출하여 화면에 출력한다. 또한, printf처럼 출력된 문자의 수를 반환하는 기능도 구현하여 표준 printf와 동일한 동작을 하도록 했다.

타입별 출력 함수들

각 타입에 따라 출력하는 함수들은 모두 print_va 함수에서 호출된다. 각 타입을 어떻게 처리했는지 간략히 살펴보겠다.

문자 출력 (print_c.c)

%c는 단일 문자를 출력한다. va_arg를 통해 int 타입의 인자를 받아서 출력한다.

int print_c(va_list ap)
{
    unsigned char c;
    c = va_arg(ap, int);
    return (write(1, &c, 1));
}

정수 출력 (print_d.c)

정수를 출력하기 위해 ft_ltoa 함수를 이용해 숫자를 문자열로 변환한 후 출력한다. ft_ltoa 역시 직접 구현한 함수로, 정수를 문자열로 변환하는 로직을 포함하고 있다. 음수일 경우에는 부호를 붙이는 등의 처리가 필요하다.

int print_d(va_list ap)
{
    char *nbr;
    int size;
    int tmp;

    tmp = va_arg(ap, int);
    nbr = ft_ltoa(tmp);
    if (!nbr)
        return (-1);
    size = ft_strlen(nbr);
    size = write(1, nbr, size);
    free(nbr);
    return (size);
}

포인터 출력 (print_p.c)

포인터는 16진수로 출력되며, 0x로 시작하는 주소 형식을 가진다. 포인터 주소를 받아서 이를 16진수 문자열로 변환하고 출력한다. 이 과정에서도 16진수 크기를 계산하는 ft_get_ulld_hex_size 함수를 직접 구현하여 사용했다.

int print_p(va_list ap)
{
    char hex[18];
    unsigned long long address;
    int i;
    int size;

    hex[0] = '0';
    hex[1] = 'x';
    address = (unsigned long long)va_arg(ap, char *);
    size = ft_get_ulld_hex_size(address) + 2;
    i = size - 1;
    while (i >= 2)
    {
        hex[i--] = "0123456789abcdef"[address % 16];
        address /= 16;
    }
    return (write(1, hex, size));
}

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결론

학교 선배가 실제로 초록색 N사의 최종 면접에서 "시스템 콜이 무엇인지 설명해보세요."라는 질문을 받았다고 한다. 이는 해당 기업 면접관 또한 CS 지식을 갖춘 신입을 원한다는 것이다.

이 질문에 대해서
1. 제대로 답하지 못하는 것
2. 운영체제 수업 지식을 끌어와 간단히 설명하고 넘어가는 것
3. 시스템 콜의 예시와 이를 직접 고민해본 경험을 나누는 것!

이 3가지는 분명한 차이가 있고, 분명 면접관에게도 매우 다른 인상을 줄 것이다!!

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ps. 컴공에서 시험공부 하느라 지친 우리 모두 화이팅!