우리는 C/C++ 언어에 대해 배울 때, 이 언어는 근본적으로 컴파일과 링크를 거쳐 결과물이 만들어지며, 이 과정에서 소스 코드가 obj 파일로 바뀐다는 말을 듣는다. 그런데 이런 중간 파일들의 내부 구조는 어떨지, 최종 결과물인 실행 파일의 형태와 중간 파일 사이의 관계는 어떨지 등에 대해서 궁금하게 생각해 본 적은 없는가?

물론 obj 파일에는 컴파일된 기계어 코드가 잔뜩 들어있을 것이고 lib는 그냥 이미 컴파일된 obj 파일의 컬렉션에 불과하다. 하지만 그걸 감싸는 컨테이너 포맷 자체는 필요할 것이다.
C++의 경우, 함수의 이름을 prototype대로 decorate하는 방식이 표준으로 제정된 적이 없어서 그 방식이 컴파일러마다 제각각인 것으로 악명 높다. 그렇다면 이런 obj, lib 파일 포맷도 언어마다, 혹은 컴파일러마다 제각각인 것일까?

결론부터 말하자면, 정답은 ‘No’이다. obj, lib 같은 파일 포맷은 실행 파일의 포맷과 더불어 굉장히 시스템스러운 포맷이고, 일반적인 응용 프로그램의 개발자가 거의 관심을 가질 필요가 없는 분야임이 틀림없다. 컴파일러를 만든다거나, 골수 해커 같은 부류가 아니라면 말이다.

이런 건 그렇게까지 다양한 파일 포맷이 존재하지 않으며, 다양하게 만들 필요도 없다.
인텔 x86 기계에서는 전통적으로 인텔 사가 고안한 OMF(object module format이라는 아주 평이한 단어의 이니셜) 방식의 obj/lib 포맷이 독자적으로 쓰였다. 굉장히 역사가 긴 포맷이며, 볼랜드, 왓콤, MS 등의 컴파일러에서 다 호환됐기 때문에 서로 다른 컴파일러나 언어로 만든 obj 파일끼리도 이론적으로는 상호 링크가 가능했다. 물론, 언어별로, 특히 C++의 경우 아까 언급했듯이 decoration 방식이 다르면 명칭이 일치하지 않아 혼용이 곤란하겠지만, 이건 파일 포맷 자체의 문제는 아니었다.

그런데, 32비트 시대가 도래하면서 사정이 약간 달라졌다.
machine word의 크기가 커지고 CPU의 레지스터 구조도 달라지고.. 그에 따라 obj/lib 파일의 포맷도 일부 필드의 크기가 확장되는 등 변화를 겪게 되었으며, 인텔 사에서는 OMF 포맷을 32비트로 확장한 업그레이드 버전을 내놓았다. 마치 지금 윈도우의 PE 실행 파일도 64비트에서는 기본적인 뼈대는 그대로 유지하되, 규격이 확장된 것과 같은 이치이다.

컴파일러들은 대체로 그 규격을 따르기 시작했으나, 이때 MS에서는 꽤 과감한 결정을 내렸다.
기왕 32비트로 갈아타는 김에, 자기네가 만드는(OS/2의 밑천으로? ㄲㄲ) 순수 32비트 운영체제인 윈도우 NT에서는 공식 사용하는 실행 파일과 obj/lib 파일의 포맷을 싹 바꾼 것이다.
어디 그뿐일까? 메모리가 귀하던 1990년대에 그때 이미 유니코드를 고려하여 딱 16비트 wide string을 내부 자료 구조로 채택했다. 본인이 보기에 윈도우 NT는 출발이 굉장히 대인배스러웠다.

새로운 포맷은 단순히 구조체 필드만 32비트에 맞게 키운 게 아니라, 더 보편적인 이식성과 확장성을 고려해서 설계되었다. 코드, 데이터 등 용도별로 다양한 chunk를 둘 수 있고, CPU 정보도 넣어서 굳이 x86뿐만이 아니라 어느 플랫폼 코드의 컨테이너로도 활용할 수 있게 했다. 또한 어차피 똑같은 기계어 코드가 들어있는 파일인데 obj/lib/exe 사이의 구조적 이질감을 낮춰서 일단 컴파일된 코드의 링크 작업을 더욱 수월하게 할 수 있게 했다.

그래서 MS는 32비트 컴파일러에서는 AT&T가 개발한 COFF(Common Object File Format) 방식을 약간 변형한 obj/lib를 사용하기 시작했고, 32비트 실행 파일은 잘 알다시피 COFF의 연장선에 가까운 PE(Portable Executable) 방식을 채택했다. 이 컨벤션이 오늘날의 64비트에까지 고스란히 전해 내려오는 중이다.

그렇게 MS는 과거 유물을 미련 없이 내버렸지만, 볼랜드 컴파일러는 32비트 윈도우용도 여전히 OMF 방식을 사용했고, 왓콤처럼 당시 16비트/32비트 도스/윈도우를 모두 지원하던 컴파일러는 OMF와 COFF 방식을 혼용까지 해서 당시 개발자들에게 상당한 혼란을 끼쳤다고 한다. 윈도우 운영체제가 16비트에서 32비트로 넘어가면서 이런 것까지도 정말 넘사벽에 가깝게 세상이 바뀐 것이다. 참고로 DJGPP는 도스용 컴파일러이지만 32비트 기반이고 COFF 방식 파일을 사용한다.

1985년에 나온 윈도우 1.0 이래로 16비트 윈도우가 사용하던 NE 포맷은 chunk 같은 게 없었다. 정보 자체를 식별하는 방법이 없이 요 정보 다음엔 무슨 정보, 다음에는 무슨 정보.. 딱 용도가 고정되어 있었고, 뭔가 확장을 할 수가 없었다. 상당히 원시적인 포맷이었다는 뜻. 개인적으로 그 시절에는 컴파일과 링크가 어떻게 이뤄졌고 DLL import/export가 어떤 방식으로 되었는지 무척 궁금하다.

또 생각나는 게 있는데, 과거에 똑같은 베이직 컴파일러이지만 MS가 개발한 퀵베이직은 굉장히 C언어에 가깝고, 파워베이직은 파스칼에 가까운 빌드 모델을 사용했다. 전자의 경우 헤더 파일을 인클루드하고 소스 파일을 obj로 컴파일하고, 각종 라이브러리와 링크하고... C와 똑같지 않은지? obj/lib 파일 포맷은 당연히 인텔 OMF 방식이었다.

그 반면, 파워베이직은 파스칼처럼 unit이라는 패키지를 만들고, 그걸 간단하게 use하는 것만으로 여타 모듈의 루틴을 사용할 수 있었다. 자바, C#, D 같은 요즘 언어들이야 비효율적인 인클루드(text parsing이 필요!) 방식이 아닌 패키지 import를 선호하는 추세이지만, 그 당시 파워베이직을 개발한 Bob Zale은 분명 파스칼 언어에서 이 아이디어를 따 왔을 것 같다. 물론 그렇다고 해서 파워베이직도 기존 obj 파일과 링크하는 방식이 없는 건 아니었다.
Bob Zale과, 터보 파스칼을 개발한 필리페 칸과는 어떤 사이일지 궁금하다.

C/C++에 전처리기가 있다면, 베이직이나 파스칼 같은 언어는 주석 안에다가 메타커맨드를 넣는 방식을 써 온 것도 흥미로운 점.
아울러, tpu, pbu 같은 저런 unit 파일은 분명 컴파일된 기계어 코드가 들어있는 라이브러리에 가깝지만, 당연히 컴파일러 vendor마다 파일 포맷이 제각각이다. 마치 퀵베이직의 QLB(퀵라이브러리) 파일이 아주 독자적이고 특이한 실행 파일인 것처럼 말이다.

Posted by 사무엘

2010/11/16 10:29 2010/11/16 10:29
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