[컴퓨터구조] GCC(GNU Compiler Collection)

GCC란?

코딩을 시작하면 우리는 hello.c와 같은 소스 코드 파일을 만든다.

하지만 컴퓨터는 이러한 C언어로 작성된 코드를 이해하지 못하기 떄문에 컴퓨터가 알아들을 수 있는 언어, 즉 기계어로 번역하는 과정이 반드시 필요하다.

이 때 번역가의 역할을 하는 것이 바로 컴파일러이고, GNU/Linux 환경의 대표적인 컴파일러가 바로

GCC(GNU Compiler Collection)이다.

⇒ 처음에는 C 언어 전용 컴파일러(GNU C Compiler)였지만, 지금은 다양한 언어(C, C++, Fortran, Go 등)를 지원하는 컴파일러 컬렉션이 되었다.

하지만 GCC를 단순한 “번역기”라고 생각하면 곤란하다.

GCC는 사실 소스 코드를 실행 파일로 만드는 전체 과정을 지휘하는 쉐프에 가깝다.

레시피(소스 코드)를 받아 근사한 요리(실행 파일)로 완성하기 까지, 총 4단계의 정교한 과정을 거친다.

우리가 터미널에 gcc hello.c -o hello 라는 간단한 명령을 내리면,

GCC 내부에서는 사실 아래의 4가지 일이 순식간에 일어난다.

역할: 본격적인 요리 전에 레시피를 깔끔하게 다듬고 준비하는 단계이다.
작업 내용:
- 주석 제거: 코드에 달아놓은 주석들(//, /* */)을 모두 제거
- 헤더 파일 포함 (#include): #include <stdio.h> 같은 지시문을 만나면, stdio.h 파일의 내용을 그대로 복사해서 코드에 붙여넣음
- 매크로 치환 (#define): #define PI 3.14 처럼 정의된 매크로를 찾아 전부 실제 값(3.14)으로 바꿈
입력: hello.c (원본 소스 파일)
출력: hello.i (전처리가 완료된 C 소스 파일)
확인 옵션: gcc -E hello.c -o hello.i

역할: 사람이 이해하는 C언어 레시피를 컴퓨터(CPU)가 이해할 수 있는 어셈블리어(Assembly Language)로 번역하는 핵심 과정이다.
작업 내용:
- 전처리가 끝난 hello.i 파일을 받아 문법을 검사하고, 코드 최적화 작업을 수행
- 최종적으로 어셈블리어 코드를 생성
  
  ⇒ 어셈블리어는 기계어와 1:1로 대응되는, 가장 로우레벨의 언어
입력: hello.i (전처리가 완료된 C 소스 파일)
출력: hello.s (어셈블리 코드 파일)
확인 옵션: gcc -S hello.c -o hello.s

역할: 어셈블리어를 실제 컴퓨터가 읽을 수 있는 0과 1의 기계어(Machine Code)로 변환
작업 내용:
- hello.s 파일을 기계어로 번역하여 오브젝트 파일(Object File)을 생성
- 이 오브젝트 파일은 기계어를 담고 있지만, 아직은 완전한 실행 파일이 X
  
  ⇒ printf 같은 함수가 어떤 라이브러리에 있는지에 대한 정보만 표시해둔 '미완성' 상태
입력: hello.s (어셈블리 코드 파일)
출력: hello.o (오브젝트 파일)
확인 옵션: gcc -c hello.c -o hello.o

역할: 만들어진 오브젝트 파일과 필요한 라이브러리들을 모두 연결하여 최종 실행 파일을 만드는 마지막 단계
작업 내용:
- hello.o 파일에 'printf 함수가 필요하다'는 표시를 보고, C 표준 라이브러리에서 실제 printf 함수의 기계어 코드를 가져와 합침
- 만약 여러 개의 소스 파일(a.c, b.c)로 작업했다면, 각각의 오브젝트 파일(a.o, b.o)을 이 단계에서 하나로 합침
- 모든 조각들이 합쳐져 드디어 우리가 실행할 수 있는 하나의 파일이 탄생!
입력: hello.o (오브젝트 파일), 라이브러리 파일 등
출력: hello (또는 지정 안 할 시 a.out, 최종 실행 파일)
확인 옵션: gcc hello.o -o hello

라이브러리를 합치는 방식에는 크게 두 가지가 있다.

정적 링킹 (Static Linking)
- 필요한 라이브러리 코드를 전부 복사하여 실행 파일에 포함시키는 방식.
- 장점: 실행 파일 하나만으로 모든 환경에서 동작하므로 배포가 편리하다.
- 단점: 파일 크기가 커지고, 라이브러리 업데이트 시 프로그램을 다시 컴파일해야 한다.
동적 링킹 (Dynamic Linking)
- 실행 파일에는 라이브러리의 위치 정보만 기록하고, 프로그램 실행 시점에 운영체제가 제공하는 공유 라이브러리(.so 등)를 가져와 연결하는 방식. (일반적인 기본 방식)
- 장점: 실행 파일 크기가 작고, 여러 프로그램이 라이브러리를 공유하여 메모리 효율이 좋다.
- 단점: 시스템에 해당 라이브러리가 없으면 실행이 불가능하다. (의존성 문제)

앞서 말했듯이 사실 GCC는 전체 과정을 지휘하는 쉐프에 가깝다.

실제로 GCC가 4가지 작업을 전부 혼자 하지는 않고 전처리, 컴파일, 어셈블, 링킹 각 단계에 맞는 cpp, cc1, as, ld 같은 전문가들을 순서대로 호출하여 작업을 지시한다.