[크래프톤 정글 ] hello.c의 실행 과정

하루이2222 2024. 9. 30. 18:37

hello.c를 실행할 때 호출되는 시스템 호출(system call)과 어셈블리 파일의 내부 구조에 대해 자세히 알아보자.

전처리 및 컴파일

1. 소스 코드 작성 및 컴파일

C 소스 코드 작성: hello.c 파일에 "Hello, World!"를 출력하는 코드가 작성된다.
컴파일: 소스 코드는 컴파일러에 의해 어셈블리 코드로 변환된다. 이 과정에서 다음과 같은 어셈블리 코드가 생성된다:
```
leaq    .LC0(%rip), %rdi    ; 문자열 "Hello, World!"의 주소를 레지스터 %rdi에 저장
call    printf              ; printf 함수 호출
```
이 어셈블리 코드는 고수준의 printf 호출이 저수준의 명령어로 변환된 결과다.

2. 라이브러리 함수 호출

라이브러리 함수 준비: 컴파일러는 소스 코드에서 printf와 같은 표준 라이브러리 함수에 대한 호출을 포함한다. 이때, printf 함수는 실제로 내부적으로 여러 작업을 수행하여 출력할 데이터를 준비하고, 시스템 콜을 호출하기 전에 필요한 매개변수를 설정한다.
레지스터 설정: printf 함수는 출력할 문자열의 주소를 %rdi와 같은 특정 레지스터에 저장하고, 준비된 데이터를 기반으로 시스템 콜을 호출할 준비를 한다.

3. 시스템 콜 인터럽트 발생

시스템 콜 호출 준비: 라이브러리 함수(printf)가 데이터를 준비한 후, 시스템 콜을 호출하기 위해 인터럽트가 발생한다.
인터럽트 발생: x86-64 아키텍처에서는 시스템 콜을 호출할 때 syscall 명령어가 사용되며, 이를 통해 커널 모드로 전환된다. 이때 write 시스템 콜이 호출되며, 파일 디스크립터, 버퍼, 버퍼 크기 등의 정보가 레지스터에 설정된다.

실행

1. 시스템 콜 (System Calls)

hello.c와 같은 간단한 프로그램에서 실제로 호출되는 시스템 콜은 크게 두 가지다:

write: printf 함수가 문자열을 터미널에 출력할 때, 내부적으로 write 시스템 호출이 사용된다.
exit: 프로그램이 종료될 때 exit 시스템 호출을 통해 운영체제에 프로그램이 종료되었음을 알린다.

1.1. `write` 시스템 콜

printf 함수는 실제로 write 시스템 콜을 호출하여 표준 출력(파일 디스크립터 1)을 사용해 터미널에 문자열을 출력한다. write 시스템 콜은 다음과 같이 동작한다:

파일 디스크립터: 표준 출력(stdout)의 파일 디스크립터는 1이다.
버퍼: 출력할 데이터(문자열).
버퍼 크기: 출력할 데이터의 길이.

시스템 콜의 형태는 다음과 같다:

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

fd가 표준 출력(1)이고, buf에 출력할 문자열, count에 출력할 길이가 들어간다.

1.2. `exit` 시스템 콜

프로그램이 정상적으로 종료되면 exit 시스템 콜이 호출된다. 이는 운영체제에 프로그램이 종료되었음을 알리며, 종료 코드를 반환한다.

시스템 콜의 형태는 다음과 같다:

void exit(int status);

status에 반환할 종료 코드를 전달하며, 보통 성공적으로 종료되었음을 알리는 0이 반환된다.

2. 어셈블리 파일의 내부

C 코드를 컴파일하면, 각 고수준 명령어는 저수준 어셈블리 명령어로 변환된다. 여기서는 hello.c의 어셈블리 코드로 변환된 예시를 보여주겠다. 이를 위해 GCC를 사용하여 어셈블리 파일을 생성할 수 있다.

gcc -S hello.c -o hello.s

이 명령을 실행하면 hello.s라는 어셈블리 파일이 생성된다. 이 파일에는 hello.c가 어셈블리 코드로 변환된 내용이 포함된다. 일반적으로 어셈블리 코드는 크게 다음과 같은 구조로 나뉜다:

2.1 어셈블리 파일의 주요 부분

    .file   "hello.c"
    .section    .rodata
.LC0:
    .string "Hello, World!"

위 코드는 프로그램에서 사용된 문자열 "Hello, World!"를 메모리에 저장하는 부분이다. printf에서 출력할 문자열이 .rodata(읽기 전용 데이터) 섹션에 저장된다.

    .text
    .globl  main
    .type   main, @function
main:
    pushq   %rbp
    movq    %rsp, %rbp

이 부분은 main 함수의 시작이다. 스택 프레임을 설정하기 위해 %rbp 레지스터에 현재 스택 포인터 %rsp를 저장하고, 기존의 %rbp 값을 스택에 저장한다.

    leaq    .LC0(%rip), %rdi
    call    puts

leaq 명령어는 문자열 "Hello, World!"의 메모리 주소를 계산하여 %rdi 레지스터에 저장한다. 이때 %rip는 현재 명령어 위치 레지스터를 나타내며, 메모리 주소를 기반으로 오프셋을 계산한다. 이후 puts 함수가 호출되어 문자열을 출력한다.

    movl    $0, %eax
    popq    %rbp
    ret

이 부분은 함수 종료를 처리한다. $0을 %eax에 저장하는 것은 main 함수가 0을 반환한다는 의미이다. 스택 프레임을 복구한 후 ret 명령어로 함수가 종료된다.

2.2 `printf` 내부 어셈블리 동작

printf 함수는 C 라이브러리에 정의된 함수로, 내부적으로 write 시스템 콜을 호출하여 문자열을 출력한다. printf는 가변 인자 함수이므로 전달된 인자의 개수에 따라 다르게 동작하지만, 일반적으로 다음과 같은 흐름으로 동작한다:

문자열 준비: 출력할 문자열을 메모리에 준비한다.
시스템 콜 준비: write 시스템 콜을 호출할 준비를 한다. 파일 디스크립터(표준 출력), 버퍼(문자열), 버퍼 크기(문자열 길이)를 설정한다.
시스템 콜 호출: CPU가 시스템 콜 인터럽트를 발생시켜 커널 모드로 전환되고, write 시스템 콜이 실행된다.

    movq    $1, %rdi            ; 파일 디스크립터 1 (표준 출력)
    movq    $주소, %rsi          ; 출력할 문자열 주소
    movq    $문자열_길이, %rdx   ; 출력할 문자열의 길이
    syscall                     ; 시스템 콜 실행

위와 같은 어셈블리 코드를 통해 시스템 콜을 실행하여 실제로 문자열을 출력하게 된다.

전체 실행 플로우 요약

소스 코드 컴파일:
- hello.c는 어셈블리 코드로 변환되고, 기계어로 컴파일된다.
메모리 로드 및 실행:
- printf 함수가 호출되면서 write 시스템 콜을 사용해 문자열을 출력한다.
- 프로그램 종료 시 exit 시스템 콜을 사용해 프로그램이 정상 종료된다.
어셈블리 내부:
- main 함수는 스택 프레임을 설정하고, 문자열을 출력한 후 정상 종료된다.