Chapter 3. 목적 파일
3.1 ABI
응용 프로그램 인터페이스(API: Application Programming Interface)는 라이브러리의 공용 인터페이스로서, 두 소프트웨어 컴포넌트가 상호작용 시 수용하는 규칙(convention) 혹은 표준(standard)이다.
ABI는 이와 비슷하게 두 프로그램이 기계어 수준에서 호환 가능하도록 두 프로그램의 목적 파일을 함께 사용할 수 있게 해 주는 인터페이스이다. 그러므로 두 프로그램이 공유하는 동적·정적 라이브러리는 동일한 ABI를 갖는다.
동적 링크, 실행 파일 로딩, 함수 호출 규칙과 같은 시스템의 중요 기능들은 합의된 ABI에 따라 정확히 수행되어야 한다.
ABI는 보통 다음 내용을 포함한다.
- 대상 아키텍처의 명령어 집합: 프로세서 명령어, 메모리 레이아웃, 엔디언(endianness), 레지ㅡ터 등
- 기존의 자료형과 크기 및 정렬 규칙(alignment policy)
- 함수 호출 규칙(convention): 함수 호출 방식, 스택 프레임 구조, 인자의 순서를 푸시(push)하는 문제 등
- 유닉스 계열 시스템에서 시스템 호출 방식 정의
- 사용된 목적 파일 형식: 재배치 가능한, 실행 가능한, 공유 목적 파일에 관한 내용
- C++ 컴파일러로 생성한 목적 파일의 네임 맹글링, 가상 테이블(virtual table) 레이아웃
유닉스 계열 시스템에서 가장 널리 사용되는 ABI 표준은 System V ABI이고, 이 ABI에서는 실행 가능한 링크 파일 형식(ELF: Executable and Linking Format)을 사용한다.
3.2 목적 파일 형식
- ELF: Linux 및 Unix 계열 운영체제
- Mach-O: OS X(macOS 및 iOS)
- PE(Portable Execution, 이식 가능한 실행 파일): Windows
모든 목적 파일 형식은 초기 버전의 유닉스를 위해 설계된 a.out 목적 파일 형식을 계승한다. 이 형식은 COFF(Common Object File Format, 공용 목적 파일 형식)으로 대체되어 ELF의 토대가 되었다.
ELF의 기반 아키텍처가 동일하다면 상이한 운영체제 간 동일한 목적 파일을 사용할 수 있다.
3.3 재배치 가능한 목적 파일
컴파일 파이프라인의 어셈블리 단계의 결과물로 재배치 가능한 목적 파일이 생성된다. 이 목적 파일에서는 컴파일된 변환 단위와 관련해 다음 항목을 찾아볼 수 있다.
- 변환 단위에서 발견되는 함수에 대해 생성된 기계 수준 명령어(코드)
- 변환 단위에서 선언·초기화된 전역 변수 값(데이터)
- 심볼 테이블
명령어는 이동 가능(movable)하거나 재배치 가능(relocatable)하다. 그러므로 재배치 가능한 목적 파일의 명령어는 주소를 갖지 않는다.
코드 박스 3-1 [예제 3-1]의 두 함수의 정의를 포함하는 파일
int max(int a, int b) {
return a > b ? a : b;
}
int max_3(int a, int b, int c) {
int temp = max(a, b);
return c > temp ? c : temp;
}코드 박스 3-2 [예제 3-1]의 이미 선언된 함수를 사용하는 main 함수: 정의는 별도의 소스 파일에 있음
int max(int, int);
int max_3(int, int, int);
int a = 5;
int b = 10;
int main(int argc, char** argv) {
int m1 = max(a, b);
int m2 = max_3(5, 8, -1);
return 0;
}셀 박스 3-1 소스 파일에 해당하는 재배치 가능한 목적 파일로 컴파일하기
$ gcc -c 3_1.funcs.c -o funcs.o
$ gcc -c 3_1.c -o main.o셀 박스 3-2 funcs.o 목적 파일의 ELF 내용
$ readelf -hSl funcs.o
ELF Header:
Magic: 7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
Class: ELF64
Data: 2's complement, little endian
Version: 1 (current)
OS/ABI: UNIX - System V
ABI Version: 0
Type: REL (Relocatable file)
Machine: Advanced Micro Devices X86-64
Version: 0x1
Entry point address: 0x0
Start of program headers: 0 (bytes into file)
Start of section headers: 632 (bytes into file)
Flags: 0x0
Size of this header: 64 (bytes)
Size of program headers: 0 (bytes)
Number of program headers: 0
Size of section headers: 64 (bytes)
Number of section headers: 13
Section header string table index: 12
Section Headers:
[Nr] Name Type Address Offset
Size EntSize Flags Link Info Align
[ 0] NULL 0000000000000000 00000000
0000000000000000 0000000000000000 0 0 0
[ 1] .text PROGBITS 0000000000000000 00000040
000000000000004f 0000000000000000 AX 0 0 1
[ 2] .rela.text RELA 0000000000000000 000001c0
0000000000000018 0000000000000018 I 10 1 8
[ 3] .data PROGBITS 0000000000000000 0000008f
0000000000000000 0000000000000000 WA 0 0 1
[ 4] .bss NOBITS 0000000000000000 0000008f
0000000000000000 0000000000000000 WA 0 0 1
[ 5] .comment PROGBITS 0000000000000000 0000008f
0000000000000027 0000000000000001 MS 0 0 1
[ 6] .note.GNU-stack PROGBITS 0000000000000000 000000b6
0000000000000000 0000000000000000 0 0 1
[ 7] .note.gnu.pr[...] NOTE 0000000000000000 000000b8
0000000000000020 0000000000000000 A 0 0 8
[ 8] .eh_frame PROGBITS 0000000000000000 000000d8
0000000000000058 0000000000000000 A 0 0 8
[ 9] .rela.eh_frame RELA 0000000000000000 000001d8
0000000000000030 0000000000000018 I 10 8 8
[10] .symtab SYMTAB 0000000000000000 00000130
0000000000000078 0000000000000018 11 3 8
[11] .strtab STRTAB 0000000000000000 000001a8
0000000000000017 0000000000000000 0 0 1
[12] .shstrtab STRTAB 0000000000000000 00000208
000000000000006c 0000000000000000 0 0 1
Key to Flags:
W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings), I (info),
L (link order), O (extra OS processing required), G (group), T (TLS),
C (compressed), x (unknown), o (OS specific), E (exclude),
D (mbind), l (large), p (processor specific)
There are no program headers in this file.재배치 가능한 목적 파일은 12개의 섹션으로 구성된다.
.text: 변환 단위에 대응되는 모든 기계 수준 명령어.data초기화된 전역 변수 값.bss초기화되지 않은 전역 변수에 필요한 바이트 수.symtab: 심볼 테이블
셀 박스 3-3 funcs.o 목적 파일의 심볼 테이블
$ readelf -s funcs.o
Symbol table '.symtab' contains 5 entries:
Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name
0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND
1: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS 3_1.funcs.c
2: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1 .text
3: 0000000000000000 27 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 max
4: 000000000000001b 52 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 max_3Value 열에 따르면 max에 할당된 주소는 0, max_3에 할당된 주소는 27(1b)이다. 관련된 명령어가 서로 인접했고, 심볼 및 대응되는 기계 수준 명령어는 재배치될 준비를 마친 상태이다.
셀 박스 3-4 main.o 목적 파일의 심볼 테이블
$ readelf -s main.o
Symbol table '.symtab' contains 8 entries:
Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name
0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND
1: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS 3_1.c
2: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1 .text
3: 0000000000000000 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 3 a
4: 0000000000000004 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 3 b
5: 0000000000000000 73 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 main
6: 0000000000000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND max
7: 0000000000000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND max_3전역 변수 a, b와 함수 main에 대한 심볼 모두 주소가 배정되지 않았다. 이는 재배치 가능한 목적 파일이라는 표시이다.
3.4 실행 가능한 목적 파일
실행 가능한 목적 파일도 기계 수준 명령어, 초기화된 전역 변수 값, 심볼 테이블을 갖지만 정렬(arrangement)은 다를 수 있다.
셀 박스 3-5 [예제 3-1]에서 이전에 빌드한 재배치 가능한 목적 파일을 링크하기
$ gcc funcs.o main.o -o 3_1.outELF 실행 가능한 목적 파일, ELF 공유 목적 파일은 0개 이상의 섹션으로 구성된 세그먼트를 갖는다. 예를 들어 기계 수준 명령어를 포함하는 모든 섹션은 정적 메모리 세그먼트(static memory segment)에 연결(map)된다.
셀 박스 3-6 3_1.out 실행 목적 파일의 ELF 내용
$ readelf -hSl 3_1.out
ELF Header:
Magic: 7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
Class: ELF64
Data: 2's complement, little endian
Version: 1 (current)
OS/ABI: UNIX - System V
ABI Version: 0
Type: DYN (Position-Independent Executable file)
Machine: Advanced Micro Devices X86-64
Version: 0x1
Entry point address: 0x1040
Start of program headers: 64 (bytes into file)
Start of section headers: 14064 (bytes into file)
Flags: 0x0
Size of this header: 64 (bytes)
Size of program headers: 56 (bytes)
Number of program headers: 14
Size of section headers: 64 (bytes)
Number of section headers: 29
Section header string table index: 28
Section Headers:
[Nr] Name Type Address Offset
Size EntSize Flags Link Info Align
[ 0] NULL 0000000000000000 00000000
0000000000000000 0000000000000000 0 0 0
[ 1] .note.gnu.bu[...] NOTE 0000000000000350 00000350
0000000000000024 0000000000000000 A 0 0 4
[ 2] .interp PROGBITS 0000000000000374 00000374
000000000000001c 0000000000000000 A 0 0 1
[ 3] .gnu.hash GNU_HASH 0000000000000390 00000390
0000000000000024 0000000000000000 A 4 0 8
[ 4] .dynsym DYNSYM 00000000000003b8 000003b8
0000000000000090 0000000000000018 A 5 1 8
[ 5] .dynstr STRTAB 0000000000000448 00000448
0000000000000088 0000000000000000 A 0 0 1
[ 6] .gnu.version VERSYM 00000000000004d0 000004d0
000000000000000c 0000000000000002 A 4 0 2
[ 7] .gnu.version_r VERNEED 00000000000004e0 000004e0
0000000000000030 0000000000000000 A 5 1 8
[ 8] .rela.dyn RELA 0000000000000510 00000510
00000000000000c0 0000000000000018 A 4 0 8
[ 9] .init PROGBITS 0000000000001000 00001000
000000000000001b 0000000000000000 AX 0 0 4
[10] .plt PROGBITS 0000000000001020 00001020
0000000000000010 0000000000000010 AX 0 0 16
[11] .plt.got PROGBITS 0000000000001030 00001030
0000000000000010 0000000000000010 AX 0 0 16
[12] .text PROGBITS 0000000000001040 00001040
0000000000000181 0000000000000000 AX 0 0 16
[13] .fini PROGBITS 00000000000011c4 000011c4
000000000000000d 0000000000000000 AX 0 0 4
[14] .rodata PROGBITS 0000000000002000 00002000
0000000000000004 0000000000000004 AM 0 0 4
[15] .eh_frame_hdr PROGBITS 0000000000002004 00002004
000000000000003c 0000000000000000 A 0 0 4
[16] .eh_frame PROGBITS 0000000000002040 00002040
00000000000000d4 0000000000000000 A 0 0 8
[17] .note.gnu.pr[...] NOTE 0000000000002118 00002118
0000000000000030 0000000000000000 A 0 0 8
[18] .note.ABI-tag NOTE 0000000000002148 00002148
0000000000000020 0000000000000000 A 0 0 4
[19] .init_array INIT_ARRAY 0000000000003df0 00002df0
0000000000000008 0000000000000008 WA 0 0 8
[20] .fini_array FINI_ARRAY 0000000000003df8 00002df8
0000000000000008 0000000000000008 WA 0 0 8
[21] .dynamic DYNAMIC 0000000000003e00 00002e00
00000000000001c0 0000000000000010 WA 5 0 8
[22] .got PROGBITS 0000000000003fc0 00002fc0
0000000000000040 0000000000000008 WA 0 0 8
[23] .data PROGBITS 0000000000004000 00003000
0000000000000018 0000000000000000 WA 0 0 8
[24] .bss NOBITS 0000000000004018 00003018
0000000000000008 0000000000000000 WA 0 0 1
[25] .comment PROGBITS 0000000000000000 00003018
0000000000000026 0000000000000001 MS 0 0 1
[26] .symtab SYMTAB 0000000000000000 00003040
00000000000003c0 0000000000000018 27 19 8
[27] .strtab STRTAB 0000000000000000 00003400
00000000000001e0 0000000000000000 0 0 1
[28] .shstrtab STRTAB 0000000000000000 000035e0
000000000000010c 0000000000000000 0 0 1
Key to Flags:
W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings), I (info),
L (link order), O (extra OS processing required), G (group), T (TLS),
C (compressed), x (unknown), o (OS specific), E (exclude),
D (mbind), l (large), p (processor specific)
Program Headers:
Type Offset VirtAddr PhysAddr
FileSiz MemSiz Flags Align
PHDR 0x0000000000000040 0x0000000000000040 0x0000000000000040
0x0000000000000310 0x0000000000000310 R 0x8
INTERP 0x0000000000000374 0x0000000000000374 0x0000000000000374
0x000000000000001c 0x000000000000001c R 0x1
[Requesting program interpreter: /lib64/ld-linux-x86-64.so.2]
LOAD 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x00000000000005d0 0x00000000000005d0 R 0x1000
LOAD 0x0000000000001000 0x0000000000001000 0x0000000000001000
0x00000000000001d1 0x00000000000001d1 R E 0x1000
LOAD 0x0000000000002000 0x0000000000002000 0x0000000000002000
0x0000000000000168 0x0000000000000168 R 0x1000
LOAD 0x0000000000002df0 0x0000000000003df0 0x0000000000003df0
0x0000000000000228 0x0000000000000230 RW 0x1000
DYNAMIC 0x0000000000002e00 0x0000000000003e00 0x0000000000003e00
0x00000000000001c0 0x00000000000001c0 RW 0x8
NOTE 0x0000000000000350 0x0000000000000350 0x0000000000000350
0x0000000000000024 0x0000000000000024 R 0x4
NOTE 0x0000000000002118 0x0000000000002118 0x0000000000002118
0x0000000000000030 0x0000000000000030 R 0x8
NOTE 0x0000000000002148 0x0000000000002148 0x0000000000002148
0x0000000000000020 0x0000000000000020 R 0x4
GNU_PROPERTY 0x0000000000002118 0x0000000000002118 0x0000000000002118
0x0000000000000030 0x0000000000000030 R 0x8
GNU_EH_FRAME 0x0000000000002004 0x0000000000002004 0x0000000000002004
0x000000000000003c 0x000000000000003c R 0x4
GNU_STACK 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x0000000000000000 0x0000000000000000 RW 0x10
GNU_RELRO 0x0000000000002df0 0x0000000000003df0 0x0000000000003df0
0x0000000000000210 0x0000000000000210 R 0x1
Section to Segment mapping:
Segment Sections...
00
01 .interp
02 .note.gnu.build-id .interp .gnu.hash .dynsym .dynstr .gnu.version .gnu.version_r .rela.dyn
03 .init .plt .plt.got .text .fini
04 .rodata .eh_frame_hdr .eh_frame .note.gnu.property .note.ABI-tag
05 .init_array .fini_array .dynamic .got .data .bss
06 .dynamic
07 .note.gnu.build-id
08 .note.gnu.property
09 .note.ABI-tag
10 .note.gnu.property
11 .eh_frame_hdr
12
13 .init_array .fini_array .dynamic .got 여러 개의 재배치 가능한 목적 파일을 링크할 시 모든 유사한 섹션을 모아 더 큰 섹션을 형성하고, 이를 실행 혹은 공유 목적 파일로 변환한다. 이후 변하지 않는 주소가 확정될 수 있다.
실행 가능한 목적 파일은 절대 주소를 사용하고(ASLR 적용 시 상대 주소 사용), 공유 라이브러리는 상대 주소를 사용한다.
셀 박스 3-7 3_1.out 실행 가능한 목적 파일에서 찾아볼 수 있는 심볼 테이블
$ readelf -s 3_1.out
Symbol table '.dynsym' contains 6 entries:
Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name
0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND
1: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND _[...]@GLIBC_2.34 (2)
2: 0000000000000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND _ITM_deregisterT[...]
3: 0000000000000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND __gmon_start__
4: 0000000000000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND _ITM_registerTMC[...]
5: 0000000000000000 0 FUNC WEAK DEFAULT UND [...]@GLIBC_2.2.5 (3)
Symbol table '.symtab' contains 40 entries:
Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name
0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND
1: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS Scrt1.o
2: 0000000000002148 32 OBJECT LOCAL DEFAULT 18 __abi_tag
3: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS crtstuff.c
4: 0000000000001070 0 FUNC LOCAL DEFAULT 12 deregister_tm_clones
5: 00000000000010a0 0 FUNC LOCAL DEFAULT 12 register_tm_clones
6: 00000000000010e0 0 FUNC LOCAL DEFAULT 12 __do_global_dtors_aux
7: 0000000000004018 1 OBJECT LOCAL DEFAULT 24 completed.0
8: 0000000000003df8 0 OBJECT LOCAL DEFAULT 20 __do_global_dtor[...]
9: 0000000000001120 0 FUNC LOCAL DEFAULT 12 frame_dummy
10: 0000000000003df0 0 OBJECT LOCAL DEFAULT 19 __frame_dummy_in[...]
11: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS 3_1.funcs.c
12: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS 3_1.c
13: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS crtstuff.c
14: 0000000000002110 0 OBJECT LOCAL DEFAULT 16 __FRAME_END__
15: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS
16: 0000000000003e00 0 OBJECT LOCAL DEFAULT 21 _DYNAMIC
17: 0000000000002004 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT 15 __GNU_EH_FRAME_HDR
18: 0000000000003fc0 0 OBJECT LOCAL DEFAULT 22 _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
19: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __libc_start_mai[...]
20: 0000000000000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND _ITM_deregisterT[...]
21: 0000000000004000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT 23 data_start
22: 0000000000001144 52 FUNC GLOBAL DEFAULT 12 max_3
23: 0000000000004014 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 23 b
24: 0000000000004018 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 23 _edata
25: 00000000000011c4 0 FUNC GLOBAL HIDDEN 13 _fini
26: 0000000000001129 27 FUNC GLOBAL DEFAULT 12 max
27: 0000000000004000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 23 __data_start
28: 0000000000000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND __gmon_start__
29: 0000000000004008 0 OBJECT GLOBAL HIDDEN 23 __dso_handle
30: 0000000000002000 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 14 _IO_stdin_used
31: 0000000000004020 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 24 _end
32: 0000000000001040 38 FUNC GLOBAL DEFAULT 12 _start
33: 0000000000004010 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 23 a
34: 0000000000004018 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 24 __bss_start
35: 0000000000001178 73 FUNC GLOBAL DEFAULT 12 main
36: 0000000000004018 0 OBJECT GLOBAL HIDDEN 23 __TMC_END__
37: 0000000000000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND _ITM_registerTMC[...]
38: 0000000000000000 0 FUNC WEAK DEFAULT UND __cxa_finalize@G[...]
39: 0000000000001000 0 FUNC GLOBAL HIDDEN 9 _init위 실행 가능한 목적 파일은 2개의 상이한 심볼 테이블을 갖고 있다.
.dynsym: 실행 파일 로드 시 해결할(resolve) 심볼.symtab: 해결된 심볼 및 동적 심볼 테이블의 미해결된 심볼
심볼 테이블에서 해결된 심볼은 링크 단계에서 획득한 주소에 대응되는 절대 주소(absolute corresponding address)를 갖는다.
3.5 정적 라이브러리
정적 라이브러리는 재배치 가능한 목적 파일로부터 생성되는 유닉스 아카이브이다. 다른 목적 파일과 함께 링크되어 실행 가능한 목적 파일을 생성한다.
정적 라이브러리 자체는 목적 파일이 아니고, 목적 파일을 위한 컨테이너이다. 정적 라이브러리는 단순히 유닉스의 ar 유틸리티로 파일을 아카이브할 뿐이다.
링커는 링크 단계 중 재배치 가능한 목적 파일로부터 정적 라이브러리 추출을 시도한다. 이후 정의되지 않은 심볼을 찾아 해결해 나간다.
유닉스 시스템에서 정적 라이브러리의 이름은 lib로 시작하고, .a 확장자를 갖는다. 윈도우에서는 .lib 확장자를 갖는다.
셀 박스 3-8 여러 소스 파일을 그에 해당하는 재배치 가능한 목적 파일로 컴파일하기
$ gcc -c aa.c -o aa.o
$ gcc -c bb.c -o bb.o
...
$ gcc -c zz.c -o zz.o셀 박스 3-9 재배치 가능한 목적 파일 여러 개에서 정적 라이브러리를 생성하는 일반적인 방법
$ ar crs libexample.a aa.o bb.o ... zz.olibexample.a 파일은 하나의 아카이브에 이전의 재배치 가능한 목적 파일 모두를 포함하는 정적 라이브러리이다.
코드 박스 3-3 [예제 3-2]의 헤더 파일
#ifndef EXTREME_C_EXAMPLES_CHAPTER_3_2_H
#define EXTREME_C_EXAMPLES_CHAPTER_3_2_H
#define PI 3.14159265359
typedef struct {
double x;
double y;
} cartesian_pos_2d_t;
typedef struct {
double length;
double theta;
} polar_pos_2d_t;
typedef struct {
double x;
double y;
double z;
} cartesian_pos_3d_t;
typedef struct {
double length;
double theta;
double phi;
} polar_pos_3d_t;
double to_radian(double deg);
double to_degree(double rad);
double cos_deg(double deg);
double acos_deg(double deg);
double sin_deg(double deg);
double asin_deg(double deg);
cartesian_pos_2d_t convert_to_2d_cartesian_pos(
const polar_pos_2d_t* polar_pos
);
polar_pos_2d_t convert_to_2d_polar_pos(
const cartesian_pos_2d_t* cartesian_pos
);
cartesian_pos_3d_t convert_to_3d_cartesian_pos(
const polar_pos_3d_t* polar_pos
);
polar_pos_3d_t convert_to_3d_polar_pos(
const cartesian_pos_3d_t* cartesian_pos
);
#endif코드 박스 3-4 [예제 3-2]의 삼각 함수의 정의를 포함하는 소스 파일
#include <math.h>
// include user-defined header file to use macro PI
#include "3_2_geometry.h"
double to_radian(double deg) {
return (PI * deg) / 180;
}
double to_degree(double rad) {
return (180 * rad) / PI;
}
double cos_deg(double deg) {
return cos(to_radian(deg));
}
double acos_deg(double deg) {
return acos(to_radian(deg));
}
double sin_deg(double deg) {
return sin(to_radian(deg));
}
double asin_deg(double deg) {
return asin(to_radian(deg));
}코드 박스 3-5 [예제 3-2]의 2D 함수의 정의를 포함하는 파일
#include <math.h>
// include user-defined header file to use external functions
#include "3_2_geometry.h"
cartesian_pos_2d_t convert_to_2d_cartesian_pos(
const polar_pos_2d_t* polar_pos
) {
cartesian_pos_2d_t result;
result.x = polar_pos->length * cos_deg(polar_pos->theta);
result.y = polar_pos->length * sin_deg(polar_pos->theta);
return result;
}
polar_pos_2d_t convert_to_2d_polar_pos(
const cartesian_pos_2d_t* cartesian_pos
) {
polar_pos_2d_t result;
result.length = sqrt(cartesian_pos->x * cartesian_pos->x + cartesian_pos->x * cartesian_pos->y);
result.theta = to_degree(atan(cartesian_pos->y / cartesian_pos->x));
return result;
}코드 박스 3-6 [예제 3-2]의 3D 함수의 정의를 포함하는 파일
#include <math.h>
// include user-defined header file to use external functions
#include "3_2_geometry.h"
cartesian_pos_3d_t convert_to_3d_cartesian_pos(
const polar_pos_3d_t* polar_pos
) {
cartesian_pos_3d_t result;
result.x = polar_pos->length * sin_deg(polar_pos->theta) * cos_deg(polar_pos->phi);
result.y = polar_pos->length * sin_deg(polar_pos->theta) * sin_deg(polar_pos->phi);
result.z = polar_pos->length * cos_deg(polar_pos->theta);
return result;
}
polar_pos_3d_t convert_to_3d_polar_pos(
const cartesian_pos_3d_t* cartesian_pos
) {
polar_pos_3d_t result;
result.length = sqrt(cartesian_pos->x * cartesian_pos->x +
cartesian_pos->y * cartesian_pos->y +
cartesian_pos->z * cartesian_pos->z);
result.theta = to_degree(acos(cartesian_pos->z / result.length));
result.phi = to_degree(atan(cartesian_pos->y / cartesian_pos->x));
return result;
}소스 파일 중 main 함수를 포함한 파일이 없으므로 링크 후 실행 파일을 생성할 수 없다. 다음으로는 이 파일들을 아카이브한다.
셀 박스 3-10 소스 파일을 재배치 가능한 목적 파일로 컴파일하기
$ gcc -c 3_2_trigon.c -o trigon.o
$ gcc -c 3_2_2d.c -o 2d.o
$ gcc -c 3_2_3d.c -o 3d.o셀 박스 3-11 재배치 가능한 목적 파일에서 정적 라이브러리 만들기
$ ar crs libgeometry.a trigon.o 2d.o 3d.o
$ sudo mkdir -p /opt/geometry
$ sudo mv libgeometry.a /opt/geometryar 명령어의 -t 옵션을 사용하면 아카이브 파일의 내용을 확인할 수 있다.
셀 박스 3-12 정적 라이브러리 파일의 내용 나열하기
$ ar -t /opt/geometry/libgeometry.a
trigon.o
2d.o
3d.oC 언어 라이브러리를 사용하기 위해 라이브러리의 공용 인터페이스(public interface) 또는 API에 접근해야 한다.
코드 박스 3-7 [예제 3-3] 기하학 함수를 검사하는 main 함수
#include <stdio.h>
#include "3_2_geometry.h"
int main(int argc, char** argv) {
cartesian_pos_2d_t cartesian_pos;
cartesian_pos.x = 100;
cartesian_pos.y = 200;
polar_pos_2d_t polar_pos =
convert_to_2d_polar_pos(&cartesian_pos);
printf("Polar Position: Length: %f, Theta: %f (deg)\n",
polar_pos.length, polar_pos.theta);
return 0;
}셀 박스 3-13 [예제 3-3] 컴파일하기
$ gcc -c 3_3.c -o main.o셀 박스 3-14 [예제 3-2]에서 생성한 정적 라이브러리 링크하기
$ gcc main.o -L/opt/geometry -lgeometry -lm -o 3_3.out-L/opt/geometry:gcc가/opt/geometry경로를 정적·동적 라이브러리를 탐색할 수 있는 경로로 인식하도록 명령한다.-lgeometry:gcc가libgeometry.a또는libgeometry.so를 탐색하도록 한다.-lm:gcc가libm.a또는libm.so를 탐색하도록 한다. 이 라이브러리에는glibc의 수학 함수에 관한 정의가 있다.
3.6 동적 라이브러리
동적 라이브러리는 정의되지 않은 심볼을 가질 수 있다. 이는 링크 단계에서 해결되지 않으며 실행 시점에 검색된다.
동적 링커(dynamic linker) 또는 로더(loader)는 실행 시점에 새로운 종류의 링크 단계를 수행한다. 프로세스 실행 시 공유 목적 파일을 적재하고 프로세스의 메모리 영역에 연결한다.
ELF 공유 목적 파일은 ELF 실행 가능한 목적 파일과 대비해 두 가지 주요 차이점을 가진다.
- 심볼이 상대적인 절대 주소를 가진다: 각 명령어의 주소는 상대적으로 결정되지만, 두 명령어 사이의 거리는 절대적으로 고정되어 있다. 재배치 가능한 목적 파일이 위치 독립적(position independent)이기 때문이다.
- ELF 실행 가능한 목적 파일에 관련된 세그먼트가 없다: 공유 목적 파일은 실행 불가능하다.
셀 박스 3-15 [예제 3-2]의 소스를 위치 독립적인 재배치 가능한 목적 파일로 컴파일하기
$ gcc -c 3_2_2d.c -fPIC -o 2d.o
$ gcc -c 3_2_3d.c -fPIC -o 3d.o
$ gcc -c 3_2_trigon.c -fPIC -o trigon.o-fPIC 옵션은 재배치 가능한 목적 파일로부터 공유 목적 파일을 생성할 때 사용한다. PIC는 위치 독립적인 코드(position independent code)를 의미한다. 위치 독립성으로 인해 파일 안의 명령어는 고정 주소가 아닌 상대 주소를 가진다.
공유 목적 파일을 생성하려면 컴파일러가 필요하다. 이는 단순 아카이브이기 때문에 ld 유틸리티를 사용할 수 있다. 대부분의 유닉스 계열 시스템에서 ld가 컴파일을 수행하지만, 직접 사용하기보다 gcc의 -fPIC 옵션을 활용해 컴파일하는 것이 안전하다.
셀 박스 3-16 재배치 가능한 목적 파일에서 공유 목적 파일 생성하기
$ gcc -shared 2d.o 3d.o trigon.o -o libgeometry.so
$ sudo mkdir -p /opt/geometry
$ sudo mv libgeometry.so /opt/geometry-shared 옵션을 통해 공유 목적 파일 생성을 지시했다.
셀 박스 3-17 빌드된 공유 목적 파일에 [예제 3-3] 링크하기
$ sudo rm -fv /opt/geometry/libgeometry.a
$ gcc -c 3_3.c -o main.o
$ gcc main.o -L/opt/geometry -lgeometry -lm -o 3_3.out같은 디렉터리에서 정적 라이브러리를 제거했기 때문에 -lgeometry 옵션은 동적 라이브러리를 링크한다. 동적 라이브러리는 최종 실행 파일에 임베딩되지 않고 실행 시 적재된다. 만약 같은 디렉터리에 정적 라이브러리, 공유 목적 파일이 둘 다 존재하면 gcc는 공유 목적 파일을 링크한다.
셀 박스 3-18 [예제 3-3]의 실행을 시도하기
$ ./3_3.out
./3_3.out: error while loading shared libraries: libgeometry.so: cannot open shared object file: No such file or directory정적 라이브러리와 링크된 실행 파일은 독립 실행 파일(standalone executable)에서 실행할 수 있다.
하지만 동적 의존성(dynamic dependency)을 갖는 실행 파일은 로더에게 환경 변수를 통해 동적 라이브러리를 탐색하기 위한 경로를 지시해 주어야 한다.
셀 박스 3-19 LD_LIBRARY_PATH를 지정해 [예제 3-3] 실행하기
$ export LD_LIBRARY_PATH=/opt/geometry
$ ./3_3.out
Polar Position: Length: 173.205081, Theta: 63.434949 (deg)셀 박스 3-20 같은 명령어로 LD_LIBRARY_PATH의 경로를 지정해 [예제 3-3]을 실행하기
$ LD_LIBRARY_PATH=/opt/geometry ./3_3.out
Polar Position: Length: 173.205081, Theta: 63.434949 (deg)공유 라이브러리가 링크된 실행 파일은 실행 전 로더의 적재 및 주소 연결 작업을 필요로 한다.
3.6.1 공유 라이브러리의 수동 로딩
로더 프로그램(동적 링커)의 도움 없이 개발자가 직접 공유 목적 파일을 수동으로 적재하는 함수를 사용할 수 있다.
셀 박스 3-21 표준 수학 라이브러리에 관한 기하학 공유 목적 파일을 링크하기
$ gcc -shared 2d.o 3d.o trigon.o -lm -o libgeometry.so-lm 옵션을 통해 링커가 표준 수학 라이브러리(libm.so)와 관련된 공유 목적 파일을 링크하도록 지시한다. libgeometry.so 파일을 수동으로 적재 시 cos, sqrt와 같은 의존성이 어느 정도는 자동으로 적재되어야 하기 때문이다.
코드 박스 3-8 [예제 3-4] 기하학 공유 목적 파일을 수동으로 로드
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <dlfcn.h>
#include "3_2_geometry.h"
polar_pos_2d_t (*func_ptr)(cartesian_pos_2d_t*);
int main(int argc, char** argv) {
void* handle = dlopen("/opt/geometry/libgeometry.so", RTLD_LAZY);
if (!handle) {
fprintf(stderr, "%s\n", dlerror());
exit(1);
}
func_ptr = dlsym(handle, "convert_to_2d_polar_pos");
if (!func_ptr) {
fprintf(stderr, "%s\n", dlerror());
exit(1);
}
cartesian_pos_2d_t cartesian_pos;
cartesian_pos.x = 100;
cartesian_pos.y = 200;
polar_pos_2d_t polar_pos = func_ptr(&cartesian_pos);
printf("Polar Position: Length: %f, Theta: %f (deg)\n",
polar_pos.length, polar_pos.theta);
return 0;
}dlopen, dlsym 함수를 사용해 공유 목적 파일을 적재하고 함수 포인터로 대상 함수를 불러올 수 있다.
셀 박스 3-22 [예제 3-4] 실행하기
$ gcc 3_4.c -ldl -o 3_4.out
$ ./3_4.out
Polar Position: Length: 173.205081, Theta: 63.434949 (deg)이 방법은 지연된 로딩(lazy loading)이라고 하며, 실행 시점에 공유 목적 파일을 링크할 수 있다.
안녕하세요