Windows API에서 BitBlt는 DC간에 비트맵 블록을 찍어 주는 아주 중요한 함수이다.
장치 독립 비트맵인 DIB라는 게 컬러 비트맵의 원활한 처리를 위해서 Windows 3.0에서 처음 도입되었지, DDB와 관련된 CreateBitmap, BitBlt 같은 함수, 그리고 컬러 brush 자체는 Windows의 초창기부터 있었다.
단순히 memcpy나 memmove 같은 함수와는 달리, BitBlt는 1차원이 아니라 2차원 평면을 표현하는 메모리 영역을 취급하는 관계로 동작 방식이 더 복잡하다.
BitBlt의 처리 대상인 두 DC는 내부 픽셀 포맷 같은 게 당연히 서로 호환이 돼야 한다.
원시적인 모노크롬 비트맵의 경우, 위치와 크기에 해당하는 좌표의 x축이 바이트 경계(8의 배수)로 딱 떨어지지 않을 때의 복잡한 보정이 필요하다.
그리고 원본과 타겟 DC가 동일한 경우, memmove 같은 overlap 처리도 x축과 y축 모두 고려하여 memmove보다 더 복잡한 상황 가짓수를 처리해야 한다.
BitBlt는 비트맵을 그냥 찍는 게 아니라 원본(S), 타겟(D)에 대해서 비트 단위 연산을 시킨 결과를 집어넣도록 아주 범용적으로 설계돼 있다. 일명 raster operation이다.
게다가 래스터 연산의 피연산자가 저 둘만 있는 게 아니라 타겟 DC에 지정되어 있는 브러시 패턴(P)까지.. 무려 세 개나 존재한다. 그래서 BitBlt는 PatBlt라든가 InvertRect 함수가 하는 일을 다 할 수 있을 정도로 범용적이다.
원본 S를 있는 그대로 복사해 넣는 건 SRCCOPY이고, 그냥 타겟 비트맵을 반전만 시키는 건 ~D이다.
그리고 마스크 비트맵(흰 배경에 검은 실루엣) M과 그림 비트맵(검은 배경에 실제 그림) S에 대해서 D&M|S (각각 and, or 연산)를 해 주면 보다시피 직사각형 모양이 아닌 스프라이트를 찍을 수도 있다. 래스터 연산을 갖고 할 수 있는 일이 이렇게 다양하다.
BitBlt가 사용하는 래스터 연산은 3비트짜리 정보(S, D, P)에 대해서 임의의 1비트(0 또는 1) 값을 되돌리는 함수라고 볼 수 있다. 이 함수가 받을 수 있는 인자의 종류는 8가지(2^3)이고.. 서로 다른 래스터 연산 함수는 2^(2^3)인 총 256가지가 존재할 수 있다.
그리고 SRCCOPY, SRCPAINT 같은 것들은 그렇게 존재 가능한 래스터 연산 함수를 나타내는 값이다. 각 변수별로 S는 11110000, D는 11001100, P는 10101010 이런 식으로 정해 놓으면 00000000부터 11111111까지가 S|D, D&~P 등 각 변수들을 조작한 모든 가짓수를 나타내게 된다.
그런데 컴퓨터에서 범용성과 성능은 대체로 동전의 양면과도 같아서 하나를 살리다 보면 다른 하나를 희생해야 하는 관계이다.
the old new thing 블로그의 설명에 따르면.. 과거 16비트 시절에 BitBlt는 사용자의 요청을 파악해서 좌표 보정 같은 전처리 준비 작업을 한 뒤, 실제로 for문을 돌면서 점을 찍는 부분은 내부 템플릿으로부터 기계어 코드를 실시간으로 생성해서 돌렸다고 한다. 이게 무슨 말인가 하면.. 단순히
void Loop(int l, int t, int r, int b);
Loop(r.left, r.top, r.right, r.bottom);
수준이 아니라
template<int LEFT, int TOP, int RIGHT, int BOTTOM>
void Loop()
{
for(int j=TOP; j<BOTTOM; j++)
for(int i=LEFT; i<RIGHT; i++)
어쩌구저쩌구;
}
Loop<r.left, r.top, r.right, r.bottom>();
이런 걸 추구했다는 뜻이다.
비트맵을 찍을 때 범위 체크는 매 픽셀마다 그야말로 엄청나게 자주 행해지는 일이다. 그러므로 그 한계값을 컴퓨터의 입장에서 변수가 아닌 상수로 바꿔 버리면 레지스터도 아끼고 성능 향상에 도움이 될 수 있다.
16비트 Windows에는 32비트 OS 같은 가상 메모리 관리자라는 게 없으며, Java/.NET 같은 가상 머신과 garbage collector도 없었다. 그 대신 (1) 메모리의 단편화를 방지하기 위해 moveable한 메모리 블록들의 주소를 수동으로 한데 옮기고 (2) discardable한 메모리 블록을 해제하는 동작이 있었다.
가상 머신이 없으니 just-in-time 컴파일이라는 개념도 있을 리 없다. 하지만 BitBlt의 저런 동작은 Java 내지 JavaScript의 JIT 같아 보이기도 한다. 물론 진짜 JIT 기술보다는 코드 생성 패턴이 훨씬 더 정향화돼 있고 단순하지만 말이다. (뭐, BitBlt의 세부 알고리즘 자체가 단순하다는 뜻은 아님)
그리고 그 시절엔 DEP도 없었다. 메모리에 데이터가 담겼건 실행 가능한 코드가 담겼건, 아무런 차별이 없었다.
게다가.. 저 때는 그래픽 출력과 관련된 하드웨어 지원조차도 없었다. 1990년대 일반 VGA 화면에서는 화면이 갱신될 때 마우스 포인터의 잔상이 남지 않게 하는 처리조차도 소프트웨어적으로 해야 했다. IBM 호환 PC는 전통적으로 게임기용 CPU에 비해서 멀티미디어 친화적이지 않은 컴퓨터로 정평이 나 있었으며, 그나마 좀 미려한 그래픽 애니메이션을 보려면 한 프로그램이 하드웨어 자원을 독점하는 도스밖에 답이 없었다. 그러니 BitBlt 같은 함수는 CPU 클럭을 하나라도 줄이려면 정말 저런 눈물겨운 최적화라도 해야 했던 것이다.
이런 여러 이유로 인해 16비트 Windows 시절에는 지금의 32/64비트보다 어셈블리어라든가 실시간 코드 생성 테크닉이 확실히 더 즐겨 쓰였던 것 같다.
외부에서 호출 가능한 콜백 함수를 지정하기 위해 껍데기 썽킹 함수를 생성해 주는 MakeProcInstance (해제하는 건 FreeProcInstance)부터가 그 예이며..
또 그때는 API 훅킹도 대놓고 훅킹 대상 함수 메모리 주소에다가 내 함수로 건너뛰는 인스트럭션을 덮어쓰는 식으로 행해졌다. 지금이야 이식성 빵점에 가상 메모리와 프로세스 별 메모리 보호, 멀티스레드 등 여러 이유 때문에 위험성이 크고 사용이 강력히 비추되는 테크닉으로 봉인됐지만 말이다.
Windows 95는 비록 32비트 명령어와 32비트 메모리 주소 공간을 사용하지만 GDI 계층은 여전히 16비트 코드를 쓰고 있으니 내부적으로 과거의 테크닉이 그대로 쓰였다. 그 당시의 PC 환경에서는 최고의 성능을 발휘했겠지만, 그리기 코드 자체의 32비트화, 좌표계의 32비트 확장이라든가 멀티스레드 대비 같은 건 전혀 불가능한 레거시로 전락할 수 밖에 없다.
그에 반해 Windows NT의 BitBlt는.. 이식성이 전혀 없는 기계어 코드 실시간 생성 같은 테크닉이 쓰였을 리가 만무하며, 어느 플랫폼을 대상으로나 동일하게 적용 가능한 C 코드로만 구현되었을 것이다. 겉으로 하는 동작은 비슷해 보여도 내부 구현은 완전히 달랐으며, 같은 사양의 PC에서 속도가 더 느린 것은 어쩔 수 없었다. 그 대신 NT의 코드는 플랫폼과 시대를 뛰어넘어 살아 남을 수 있었다.
뭐, 1990년대에는 OS/2도 얼리어답터들이 관심을 갖던 레알 32비트 운영체제이긴 했는데.. 얘는 Windows NT와 달리 32비트 계층도 코드가 전반적으로 그리 portable하지 않았다고 한다. 그러니 타 CPU로 포팅은 고사하고 훗날 같은 CPU에서 64비트에 대처하는 것도 유연하게 되기 어려웠으리라 여겨진다.
그에 반해, OS가 아니라 게임이긴 하다만 Doom은 Windows NT와 비슷하게(약간만 타이밍이 더 늦은) 1993년 말에 첫 출시됐는데.. 세계를 놀라게 한 3차원 그래픽을 실현했음에도 불구하고 어셈블리어를 거의 사용하지 않고 순수하게 C 코딩만 한 거라는 제작사의 증언에 업계가 더욱 충격에 빠졌다. 사운드처럼 상업용 라이브러리를 사용한 부분의 내부 구현을 제외한 전체 소스 코드가 수 년 뒤에 공개되면서 이 말이 사실이었음이 입증되었다.
도스에서 Doom을 가능케 한 것은 쑤제 어셈블리어 튜닝이 아니라 Watcom 같은 최적화 잘 해 주는 32비트 전용 C 컴파일러였다.
엔진 코드가 C로 나름 이식성 있게 깔끔하게 작성된 덕분에 Doom은 소스가 공개되자마자 오픈소스 진영의 덕후들에 의해 온갖 플랫폼으로 이식되면서 변종 엔진과 게임 MOD들이 파생돼 나올 수 있었다. 물론 소스 공개 이전에도 상업용으로 갖가지 플랫폼에 출시되기도 했고 말이다.
오늘날이야 컴퓨터 아키텍처라는 게 2, 30년 전 같은 춘추전국시대가 아니며, 가상 머신이라든가 웹 같은 환경도 발달해 있다. 그러니 "C언어는 이식성이 뛰어나다" 이런 식의 진술이 뭐 거짓말은 아니지만 약간 어폐가 있다. 하지만 BitBlt API부터 시작해서 이식성 있는 코드와 그렇지 않은 코드가 궁극적으로 어떤 상태가 되었는지를 생각해 보니 이 또한 의미 있는 일인 것 같다.
다시 Windows API 얘기로 돌아와서 글을 맺자면..
- BitBlt는 비트맵 출력 API 중에서는 그나마 가장 기본적인 형태이다. StretchBlt는 비트맵을 크기를 변형(확대· 축소)해서 찍을 수 있다. 이들의 DIB 버전에 대응하는 것은 각각 SetDIBitsToDevice와 StretchDIBits이다.
- TransparentBlt와 AlphaBlend는 아까 같은 AND/OR 래스터 연산 대신 color key 내지 알파 채널을 적용해서 투명색이 적용된 비트맵을 찍어 주는 함수이다. Windows 98/2000에서 새로 추가됐다. 본인은 사용해 본 적이 없다.
- PatBlt는 원본 DC의 지정이 없이 브러시 패턴과 타겟 DC와의 래스터 연산만이 가능한 마이너 버전이다.
- PlgBlt와 MaskBlt는 마스크 비트맵까지 한꺼번에 받아서 스프라이트 처리가 가능한 버전이다. 거기에다 PlgBlt는 일차변환을 적용해서 직사각형이 아닌 임의의 평행사변형 모양으로 비트맵을 찍을 수도 있는데.. Windows 9x에서는 지원되지 않고 NT에서만 존재해서 그런지 본인 역시 이런 함수가 있다는 걸 아주 최근에야 알게 됐다.
실무에서는 이렇게 비트맵을 한꺼번에 찍어 주는 함수를 쓰지, SetPixel이라든가 무식한 FloodFill 같은 기능은 그래픽 출력에서 쓸 일이 거의 없는 것 같다.
BitBlt과 유사 계열의 비트맵 출력 GDI 함수들은 비트 연산을 다루는 시대 배경에서 만들어진 만큼, 요즘 PNG 이미지처럼 비트맵 내부에 들어있는 알파 채널을 제대로 취급하지 못한다. 그리고 비트맵을 확대해서 출력할 때의 안티앨리어싱도 부드럽게 처리를 못 한다. 레거시 코드에다가 그런 기능까지 플래그로 넣기에는 너무 복잡하고 지저분해져서 그렇지 싶다. 그도 그럴 것이 GDI는 하드웨어 통합적으로 얼마나 추상적으로 설계되었던가?
현대의 화면 래스터 그래픽에서 필요로 하는 최신 기능들은 한때 GDI+가 따로 담당하다가 요즘은 그것도 너무 느리다고 도태됐고 Direct2D 같은 다른 패러다임으로 옮겨 갔다.
Posted by 사무엘
