1. C/C++이 빌드가 느린 이유

베테랑 프로그래머라면 이미 다 알기도 하겠지만, C/C++ (특히 C++)은 강력한 대신 정말 만년 굼벵이 언어가 될 수밖에 없는 요인만 일부러 골고루 가진 채 만들어졌다 해도 과언이 아닌 것 같다.

뭐가 굼벵이냐 하면 두 말할 나위도 없이 빌드 속도 말이다. C#, 자바, 델파이 같은 다른 언어나 툴과 비교하면 안습 그 자체. 이건 컴퓨터의 속도만 빨라진다고 해서 극복 가능한 차원의 차이가 아니라 구조적으로 심한 부담과 비효율 때문이다. 이 점에 대해서는 본인도 예전에 여러 글을 블로그에다 언급한 적이 있다.

  • 일단 C++은 태생이 바이트코드 같은 가벼운 가상 기계가 아니라 철저하게 기계어 네이티브 코드 생성 지향이다. 다른 가벼운(?) 언어들과는 위상부터가 다르며, 이 상태에서 최적화까지 가면 부담은 더욱 커진다. 게다가 이 언어는 설계 철학이 컴파일 시점 때 최대한 많은 걸 미리 결정하는 걸 지향하고 있다. 가령, 자바에 inline이라든가 함수 호출 규약, 레지스터, C++ 수준의 static한 템플릿 메타프로그래밍, 혹은 링크 타임 코드 생성 같은 개념이 있지는 않다.
  • 또한 이 언어는 근본적으로 문법이 상당히 문맥 의존적이고 복잡하여, 구문 분석이 어렵다. 단적인 예로 함수 선언과 객체 선언 A b(c); 변수 선언과 단순 연산식 B*c; 형변환 연산과 단순 연산식 (c)+A 가 c가 무엇인지 문맥에 따라 왔다갔다 하면서 완전히 달라진다. 거기에다 C++의 경우 템플릿, 오버로딩, namespace ADL까지 가면 난이도는 정말 안드로메다로. 다른 언어는 O(n log n) 시간 복잡도만으로도 되는 구문 분석 작업이 C++은 반드시 O(n^2)을 쓰지 않으면 안 되는 과정이 있다고 한다.
  • 빌드를 위해 전처리, 링크 같은 복잡한 계층이 존재하며, 특히 링크는 병렬화도 되지 않아 속도를 더욱 올릴 수가 없는 작업이다. 한 모듈에서 참조하는 함수의 몸체가 다른 어느 번역 단위에 있을지는 전혀 알 수 없다!
    그런데 요즘 C++ 컴파일러의 트렌드는 1에서 잠시 언급했듯이 링크 타임 때의 코드 생성과 최적화(인라이닝 포함)여서 이런 병목 지점에서 더욱 많은 작업량이 부과되고 있다. 이런??

이런 특징은 유독 C/C++ 언어만 개발툴/IDE에서 프로젝트를 만들면 온갖 잡다한 보조 데이터 파일들이 많이 생성되는 이유와도 일맥상통한다. 소스 코드를 잽싸게 분석하여 인텔리센스 같은 똑똑한 IDE 기능을 제공하기가 여타 언어들보다 훨씬 더 어렵기 때문이다.

2. 인클루드의 문제점

그런데, 네이티브 코드 생성, 복잡한 문법 같은 것 이상으로 C/C++의 빌드 시간을 더욱 뻥튀기시키고 빌드 작업을 고달프게 하는 근본적인 요소는 전처리 중에서도 다름아닌 #include 남발이다. C/C++은 남이 만들어 놓은 함수, 클래스, 구조체 같은 프로그래밍 요소를 쓰려면 해당 헤더 파일을 무조건 인클루드해 줘야 한다.

일단 이건 문법적으로는 인위적인 요소가 없이 깔끔해서 좋다. 인클루드되는 헤더는 역시 C/C++ 문법대로 작성된 일반 텍스트 파일이며, 내가 짜는 프로그램이 참조하는 명칭들의 출처가 여기 어딘가에는 반드시 있다고 보장됨을 내 눈으로 확인할 수 있다. 그러나 DB 형태로 최적화된 바이너리 파일이 아니라 파싱이 필요한 텍스트 파일이란 점은 일단 빌드 속도의 저하로 이어진다. 이게 문제점 하나.

본격적인 C++ 프로그램을 하나 만들려면 표준 C/C++ 라이브러리뿐만이 아니라 윈도우 API, MFC, 그리고 다른 3rd-party 라이브러리, 게임 엔진 등 갖가지 라이브러리나 프레임워크가 제공하는 헤더 파일을 참조하게 된다. 이것들을 합하면 한 소스 코드를 컴파일하기 위해 인클루드되는 헤더 파일은 가히 수십, 수백만 줄에 달하게 된다.

게다가 이 인클루드질은 전체 빌드를 통틀어 한 번만 하고 끝인 게 아니라, 이론적으로는 매 번역 단위마다 일일이 새로 해 줘야 한다. 헤더 파일 의존도가 개판이 돼 버리는 바람에 헤더 파일 하나 고칠 때마다 수백 개의 cpp 파일이 재컴파일되는 문제는 차라리 애교 수준이다. 문제점 둘.

보통 헤더 파일에는 중복 인클루드 방지를 위한 guard가 있다.

#ifndef ___HEADER_DEFINED_
#define ___HEADER_DEFINED_

/////

#endif

그런데 #if문 조건을 만족하지 못하는 줄들은 단순히 구문 분석과 파싱만 skip될 뿐이지, 컴파일러는 여전히 중복 인클루드된 헤더 파일도 각 줄을 일일이 읽어서 #else나 #endif가 나올 때까지 들여다보긴 해야 한다.

많은 사람들이 간과하는 사실인데(사실 나도 그랬고), 그때는 컴파일 작업만 잠시 중단됐을 뿐, 전처리기는 전체 소스를 대상으로 여전히 동작하고 있다. 중복 인클루드가 컴파일러의 파일 액세스 트래픽을 얼마나 증가시킬지가 상상이 되는가? guard만 있다고 장땡이 아니며, 이게 근본적으로 얼마나 비효율적인 구조인지를 먼저 알아야 한다. 문제점 셋.

그리고 이 #include의 수행 결과를 컴파일러나 IDE로 하여금 예측이나 최적화를 도무지 할 수가 없게 만드는 치명적인 문제는 극단적인 문맥 의존성이다.
헤더 파일은 그저 static한 함수, 클래스, 변수 선언의 집합체가 아니다. 엄연히 C/C++ 소스 코드의 일부를 구성하며, 동일한 헤더라 해도 어떤 #define 심벌이 정의된 상태에서 인클루드하느냐에 따라서 그 여파가 완전히 달라질  수 있다.

극단적인 예로, 한 소스 파일에서 #define 값만 달리하면서 동일 헤더 파일을 여러 번 인클루드함으로써, 템플릿 비스무리한 걸 만들 수도 있단 말이다. 일례로, 비주얼 C++ 2010의 CRT 소스에서 strcpy_s.c와 wcscpy_s.c를 살펴보기 바란다. 베이스 타입만 #define을 통해 char이나 wchar_t로 달리하여 똑같이 tcscpy_s.inl을 인클루드하는 걸로 구현돼 있음을 알 수 있다...;;

물론 인클루드를 실제로 그렇게 변태적으로 활용하는 예는 극소수이겠지만 인클루드는 여타 언어에 있는 비슷한 기능인 import나 use 따위와는 차원이 다른 개념이며, 캐싱을 못 하고 그 문맥에서 매번 일일이 파싱해서 확인해 보는 수밖에 없다. 문제점 넷이다.

이런 문제 때문에 여타 언어들은 텍스트 파싱을 수반하는 인클루드 대신, 별도의 패키지 import 방식을 쓰고 있으며, Objective C도 #include 대신 #import를 제공하고 헤더 파일은 무조건 중복 인클루드가 되지 않는 구조를 채택하여 셋째와 넷째 문제를 피해 갔다.

비주얼 C++도 #pragma once라 하여 #endif를 찾을 것도 없이 중복 인클루드를 방지하고 파일 읽기를 거기서 딱 중단하는 지시자를 추가했다. 이건 비표준 지시자이긴 하지만 전통적인 #ifdef~#endif guard보다 빌드 속도를 향상시키는 테크닉이기 때문에 프로그래머의 입장에서는 사용이 선택이 아닌 필수이다. 물론, 단순히 중복 선언 에러만 방지하는 게 아니라 특정 헤더 파일의 인클루드 여부를 알려면 재래식 #define도 좀 해 줘야겠지만 말이다.

외부에서 기선언된(predefined) 프로그래밍 요소를 끌어오는데, namespace나 package 같은 언어 계층을 거친 명칭이 아니라 생(raw-_-) 파일명의 지정이 필요한 것부터가 오늘날의 관점에서는 꽤 원시적인 작업이다. 개인적으로는 인클루드 파일의 경로를 찾는 메커니즘도 C/C++은 너무 복잡하다고 생각한다.

""로 싸느냐 <>로 싸느냐부터 시작해서, 인클루드가 또 다른 파일을 중첩으로 인클루드할 때, 다른 인클루드 파일을 자기 디렉터리를 기준으로 찾을지 자신을 인클루드 한 부모 파일의 위치로부터 찾을지, 프로젝트 설정에 명시된 경로에서 찾을지 같은 것 말이다…;; 게다가 인클루드 명칭도 #define에 의한 치환까지 가능하다. #include MY_HEADER처럼. 그게 가능하다는 걸 FreeType 라이브러리의 소스를 보면서 처음으로 알았다.

그런데 그러다가 서로 다른 디렉터리에 있는 동명이인 인클루드 파일이 잘못 인클루드되기라도 했다면.. 더 이상의 자세한 설명은 생략. 내가 무심코 선언한 명칭이 어디엔가 #define 매크로로도 지정되어 있어서 엉뚱하게 자꾸 치환되고 컴파일 에러가 나는 것과 같은 악몽이 발생하게 된다! 문제점 다섯.

이것도 어찌 보면 굉장히 문맥 의존적인 절차이기 때문에, 오죽했으면 비주얼 C++ 2010부터는 인클루드/라이브러리 디렉터리 지정을 global 단위로 하는 게 완전히 없어지고 전적으로 프로젝트 단위로만 하게 바뀌었다는 걸 생각해 보자.

C++ 프로젝트에서 MFC의 클래스나 윈도우 API의 함수를 찍고 '선언으로 가기'를 선택하면 afxwin.h라든가 winbase.h 같은 표준 인클루드 파일에 있는 실제 선언 지점이 나온다. 그 방대한 헤더 파일을 매 빌드 때마다 일일이 파싱할 수가 없으니 인텔리센스 DB 파일 같은 건 정말 크고 아름다워진다.

그에 반해 C# 닷넷 프로젝트에서 Form 같은 클래스의 선언을 보면, 컴파일러가 바이너리 수준에서 내장하고 있는 클래스의 껍데기 정보가 소스 코드의 형태로 생성되어 임시 파일로 뜬다…;; 이게 구시대 언어와 신세대 언어의 시스템 인프라의 차이가 아닌가 하는 생각이 들었다.

그래서 이런 C++ 인클루드 체계의 비효율 문제는 어제오늘 제기되어 온 게 아니기 때문에, 컴파일러 제조사도 좀 더 근본적인 문제 회피책을 간구하게 됐다. 그래서 나온 것이 그 이름도 유명한 precompiled 헤더이다. stdio.h나 stdlib.h 정도라면 모를까, 매 번역 단위마다 windows.h나 afx.h를 일일이 인클루드해서 파싱한다는 건 삽질도 그런 삽질도 없으니 말이다..

3. precompiled header의 도입

일단 프로젝트 내에서 "인클루드 전용" 헤더 파일과 이에 해당하는 번역 단위를 설정한다. 비주얼 C++에서 디폴트로 주는 명칭이 바로 stdafx.cpp와 stdafx.h이다. 모든 번역 단위들이 공용으로 사용하는 방대한 양의 프레임워크, 라이브러리의 헤더를 몰아서 인클루드시킨다. 컴파일러 옵션으로는 Create precompiled header에 해당하는 /Yc "stdafx.h"이다.

그러면 그 헤더 뭉치들은 stdafx.cpp를 컴파일할 때 딱 한 번만 실제로 인클루드와 파싱을 거치며, 이 파일들의 분석 결과물은 빠르게 접근 가능한 바이너리 DB 형태인 프로젝트명.pch 형태로 생성된다.

그 뒤 나머지 모든 소스 파일들은 첫 줄에 #include "stdafx.h"를 반드시 해 준 뒤, Use precompiled header인 /Yu "stdafx.h" 옵션으로 컴파일한다. 그러면 이제 stdafx.h의 인클루드는 실제 이 파일을 열어서 파싱하는 게 아니라, 미리 만들어진 PCH 파일의 심벌을 참고하는 것으로 대체된다! 앞에서 제기한 인클루드의 문제점 중 첫째와 둘째를 극복하는 셈이다.

pch 파일이 생성되던 시점의 문맥과 이 파일이 실제로 인클루드되는 시점의 문맥은 싱크가 서로 반드시 맞아야 한다. 그렇기 때문에 소스 코드에도 문맥상의 제약이 걸린다. PCH를 사용한다고 지정해 놓고 실제로 stdafx.h를 맨 먼저 인클루드하지 않은 소스 파일은 Unexpected end of file이라는 컴파일 에러가 발생하게 된다. PCH 개념을 모르는 프로그래머는 C++ 문법에 아무 하자가 없는 외부 소스 코드가 왜 컴파일되지 않는지 이해를 못 할 것이다.

당연한 말이지만 stdafx.h가 인클루드하는 헤더 파일의 내용이 수정되었다면 PCH 파일은 다시 만들어져야 하며, 이때는 사실상 프로젝트 전체가 리빌드된다. 그러므로 stdafx.h 안에는 거의 수정되지 않는 사실상 read-only인 헤더 파일만 들어가야 한다.

인클루드 파일만 수십, 수백만 줄에 달하는 중· 대형 C++ 프로젝트에서 PCH가 없다는 건 상상조차 할 수 없는 일이다. 얼마 되지도 않는(많게 잡아도 200KB 이내) 소스 코드들이 high-end급 컴에서 그것도 네트워크도 아닌 로컬 환경에서 빌드 중인데 소스 파일 하나당 컴파일에 1초 이상씩 잡아 처먹는다면, 이건 인클루드 삽질 때문일 가능성이 매우 높다. 이 경우, 당장 PCH를 사용하도록 프로젝트 설정을 바꾸고 소스 코드를 리팩터링할 것을 심각하게 고려해야 한다. 이건 작업 생산성과 직결된 문제이기 때문이다.

아놔, 이렇게 글을 길게 쓸 생각은 없었는데 너무 길어졌다.
요컨대 C++ 프로그래머라면 자기의 생업 수단인 언어가 이런 구조적인 비효율을 갖고 있다는 걸 인지하고, 상업용 컴파일러 및 개발툴이 이를 극복하기 위해 어떤 대안을 내놓았는지에 대해 관심을 가질 필요가 있다.

자바, C#, D 등 C++의 후대 언어들은 C++과 문법은 비슷할지언정 이 인클루드 체계만은 어떤 형태로든 제각각 다 손을 보고 개량했음을 알 수 있다. 아까도 언급했듯, 하다못해 Objective C도 중복 인클루드 하나만이라도 자기 식으로 정책을 바꿨지 않던가.

한 가지 생각할 점은, C/C++은 태생이 이식성에 목숨을 걸었고, 언어의 구현을 위해 바이너리 레벨에서 뭔가 이래라 저래라 명시하는 것을 극도로 꺼리는 언어라는 점이다. 그래서 대표적으로 C++ 함수 decoration이 알고리즘이 중구난방인 아주 대표적인 영역이며, 함수 calling convension도 여러 규격이 난립해 있고 모듈/패키지 같은 건 존재하지도 않는다. 그런 차원에서, 비록 비효율적이지만 제일 뒤끝 없는 텍스트 #include가 여전히 선호되어 온 건지도 모르겠다.

4. 여타 언어의 인클루드

여담이다만, 본인은 베이직부터 쓰다가 C/C++로 갈아탄 케이스이기 때문에 인클루드라는 걸 처음으로 접한 건 C/C++이 아니라 퀵베이직을 통해서였다.

'$INCLUDE: 'QB.BI'

바로, 도스 API를 호출하는 인터럽트 함수와 관련 구조체가 그 이름도 유명한 저 헤더 파일에 있었기 때문이다.

C/C++에 전처리기가 있는 반면, 베이직이나 파스칼 계열 언어는 개념적으로 그런 전처리기와 비슷한 위상인 조건부 컴파일이나 컴파일 지시자는 주석 안에 메타커맨드의 형태로 들어있곤 했다. 그러나 여타 프로그래밍 요소를 끌어다 오는 명령은 메타커맨드나 전처리기가 아니라, 엄연히 언어 예약어로 제공하는 게 디자인상 더 바람직할 것이다.

그리고 파워베이직은 퀵베이직 스타일의 인클루드 메타커맨드도 있고, 파스칼 스타일의 패키지 지정 명령도 둘 다 갖추고 있었다.

Posted by 사무엘

2012/09/21 19:25 2012/09/21 19:25
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  1. lyn 2012/09/23 21:29 # M/D Reply Permalink

    #pragma once는

    Clang(LLVM), gcc, VC, ICC, C++Builder 모두 지원을 하는 키워드이니 더이상 비표준이라며 피할 이유도 없겠지요 : )

    1. 사무엘 2012/09/24 07:06 # M/D Permalink

      우와, 그 정도면 이미 사실상 표준이나 마찬가지이군요.
      언어 스펙만으로 실용적인 필요가 다 충족되지 못해서 온갖 코딩 응용 테크닉 설명이 많이 필요하고(대표적으로 Effective C++ 시리즈라든가)
      컴파일러의 '싸제' 꼼수가 많이 필요하다는 건
      C++의 디자인이 그만큼 불완전하고 defective하다는 점도 있다는 증거라고 볼 수 있습니다.
      저는 옛날에는 그게 무슨 말인지 이론 설명만으로는 이해를 못 했는데 실제로 최근에 와서야 무슨 말인지 좀 알 것 같더군요. ^^

  2. lyn 2012/09/24 21:29 # M/D Reply Permalink

    반대로 말하면 살아있는 언어라고도 할 수 있겠지요 : )

    Pascal, Java, C#, Obj-c는 사실상 독점하고 있는 기업이 있고
    Ruby, Python, Scala 등은 단일 커뮤니티에서 개발을 하죠

    Ada,Cobol 처럼 사용자가 왕창 줄어서 사어수준이 된 언어도 있구요

    C++은 워낙 많은 회사가 컴파일러를 만들고 워낙 많은 사용자가 존재하다 보니 언어 표준이 현실의 요구를 제때 따라가지 못하는 느낌이랄까요 : )
    물론 요즘 업데이트를 보면 얘들이 언어를 만드는건지 언어디자인툴을 만드는건지 모를정도로 확장성"만" 좋은 기능들을 쑤셔넣고 있지만 ㅡ.ㅡ;

    1. 사무엘 2012/09/25 10:59 # M/D Permalink

      하하, 그러게요. 인기를 못 얻은 죽은 언어라면 언어의 불편한 점을 개선하려는 노력도 없을 것이고 풍부한 추가 라이브러리가 만들어지지도 않을 것이고 그대로 없어지겠죠.;;
      마지막에 말씀하신 것처럼 언어가 그런 식으로 확장되면서 지저분해지는 건 피할 수 없는 귀결입니다. 언어야말로 호환성 때문에 함부로 구조를 확 바꿀 수가 없거든요.

      파이썬 2와 3이 난립하고 있는 걸 생각해 봐도 알 수 있듯, 언어라는 건 처음에 만들어질 때 똑똑한 사람이 설계를 정말 잘 해야 하겠다는 생각이 듭니다. 그래서 프로그래밍 언어는 똑똑한 수학/논리학/전산학 덕후들의 재미있는 놀이터에 속하는 대표적인 분야랍니다.

  3. Lyn 2012/09/25 20:28 # M/D Reply Permalink

    파이썬2가 싸놓은건 언제쯤 다 치우려나 (...)

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