[Xcode] Xcode Build System 이해하기

안녕하세요?

너구리입니다.

 

요즘 build 관련된 부분에 대해 공부를 하고 있는데요.

모듈, 라이브러리에 대해 공부하기 전에 베이스 내용인것같아 관심을 가지고 있습니다.

 

최근에 읽고 공부한

Understanding Xcode Build System을 번역해보려 합니다.

 

Problem Statement

모든 컴퓨터 시스템은 소프트웨어와 하드웨어라는 두 가지 측면을 가지고 있습니다.

하드웨어는 모니터나 키보드처럼 컴퓨터의 물리적 부분을 의미합니다.

하드웨어는 일반적으로 소프트웨어에 의해 제어되며, 소프트웨어는 하드웨어가 작동하는 방법을 알려주는 명령어 모음입니다. 소프트웨어가 프로세스를 조율하고 하드웨어가 실제 작업을 수행하기 때문에, 이 둘 중 어느 것도 단독으로 사용할 수 없습니다.

 

소프트웨어 엔지니어로서 우리의 주된 초점은 소프트웨어에 맞춰져 있습니다.

그러나 하드웨어는 Swift로 작성된 코드를 직접 이해하지 못합니다.

하드웨어는 0과 1만 읽을 수 있습니다.

Swift 코드가 하드웨어가 읽을 수 있도록 어떻게 변환되는가?
답은 언어 처리 시스템(Language Processing System)입니다.

 

Language Processing System

언어 처리 시스템은 임의의 소스 언어로 작성된 명령어 집합에서

실행 가능한 프로그램을 생성하는 데 사용되는 프로그램 모음입니다.

이를 통해 프로그래머는 기계어를 직접 작성하는 대신 고급 언어를 사용할 수 있어 프로그래밍의 복잡성이 크게 줄어듭니다.

iOS 또는 macOS 개발에서 사용하는 언어 처리 시스템은 Xcode 빌드 시스템(Xcode Build System)입니다.

 

Xcode Build System

Xcode 빌드 시스템의 주요 목표는 다양한 작업의 실행을 조율하여 실행 가능한 프로그램을 생성하는 것입니다.

Xcode는 다양한 도구를 실행하고, 여러 인수를 이들 사이에서 전달하며, 실행 순서와 병렬 처리를 처리합니다.

다음 Swift 프로젝트를 작성할 때 수동으로 처리하고 싶지 않은 작업들입니다.

대부분의 언어 처리 시스템과 같이 Xcode 빌드 시스템은 다음의 5가지 구성 요소로 이루어져 있습니다:

1. Preprocessor (전처리기)
2. Compiler (컴파일러)
3. Assembler (어셈블러)
4. Linker (링커)
5. Loader (로더)

이 구성 요소들은 아래 다이어그램에 나타난 방식으로 함께 작동합니다

 

Preprocessing

전처리 단계의 목적은 프로그램을 컴파일러가 처리할 수 있는 형태로 변환하는 것입니다.

이 과정에서 매크로를 정의로 대체하고, 의존성을 탐지하며, 전처리 지시문을 처리합니다.

Swift 컴파일러에는 전처리기가 없으므로 Swift 프로젝트에서 매크로를 정의할 수 없어서

Xcode 빌드 시스템은 프로젝트 빌드 설정에서 Active Compilation Conditions(활성 컴파일 조건)을 사용하여 전처리를 부분적으로 보완합니다.

 

Xcode는 의존성을 처리하기 위해 llbuild(lower-level build system)을 사용합니다.

llbuild는 오픈 소스로 제공되며, 추가 정보는 swift-llbuild 에서 확인할 수 있습니다.

 

Complier

컴파일러는 Swift, Objective-C, C/C++ 코드를 기계어로 변환합니다.

Xcode는 두 가지 다른 컴파일러를 사용합니다:

• Swift: swiftc
• Objective-C, Objective-C++, C/C++: clang

clang은 C 언어 계열을 위한 Apple의 공식 컴파일러입니다. swift-clang

swiftc는 Swift 소스 코드를 컴파일하고 실행하는 Swift 컴파일러 실행 파일입니다. Swift Language Repository

 

 

Xcode에서 Build Settings에 들어가면 위의 컴파일러 설정을 볼 수 있습니다.

 

 

 

컴파일러는 크게 프론트엔드(Front End)와 백엔드(Back End)로 나뉩니다.

 

프론트엔드

- 소스 프로그램을 의미나 타입 정보를 포함하지 않은 개별 조각으로 나눕니다.

- 구문 구조를 강제 적용하고, 이를 기반으로 소스 프로그램의 Intermediate Representation을 생성합니다.

- 소스 프로그램 정보를 수집하는 심볼 테이블(Symbol Table)을 생성하고 관리합니다.

 

참고사항

Symbol은 코드나 데이터의 특정 조각에 붙여진 이름입니다.
심볼 테이블은 변수, 함수, 클래스 등의 이름과 데이터를 연결해 저장합니다.

Swift 컴파일러에서는 Intermediate Representation이 Swift Intermediate Language(SIL)이며 

코드의 추가 분석과 최적화를 위해 사용됩니다.

SIL에서 직접 기계어를 생성할 수 없으므로 LLVM Intermediate Representation으로 한 번 더 변환됩니다.

 

백엔드

- Intermediate Representation을 어셈블리 코드로 변환합니다.

 

Assembler

어셈블러는 사람이 읽을 수 있는 어셈블리 코드를 재배치 가능한 기계어(Machine Code)로 변환합니다. 이 과정에서 Mach-O 파일이 생성됩니다.

 

기계어(Machine Code)
CPU가 직접 실행할 수 있는 명령어 집합을 나타내는 숫자 언어입니다.
이 기계어는 재배치 가능(relocatable)한데, 이는 객체 파일이 메모리의 어느 위치에 있든지 간에 해당 위치에 상대적으로 명령어를 실행할 수 있음을 의미합니다.

 

Mach-O 파일
iOS 및 macOS 운영 체제에서 사용되는 특수 파일 형식으로, 객체 파일, 실행 파일, 라이브러리에 사용됩니다.
이는 iOS 기기의 ARM 프로세서 또는 Mac의 Intel 프로세서에서 실행될 수 있는 바이트 스트림으로 구성됩니다.

 

Linker

링커는 여러 객체 파일과 라이브러리를 하나로 병합하여 iOS 또는 macOS 시스템에서

실행할 수 있는 단일 Mach-O 실행 파일을 생성합니다.

 

링커는 두 가지 유형의 파일을 입력으로 받습니다.

- 어셈블리 단계에서 생성된 객체 파일

- 여러 유형의 라이브러리 (.dylib, .tbd, .a)

주의

어셈블러와 링커 모두 출력으로 Mach-O 파일을 생성하는데 차이점이 있습니다.

어셈블리 단계에서 생성된 객체 파일은 아직 완성되지 않았습니다. 일부 객체 파일에는 다른 객체 파일이나 라이브러리를 참조하는 누락된 조각이 포함되어 있습니다.

 

예를 들어, 코드에서 printf를 사용한 경우, 링커는 이 심볼을 printf 함수가 구현된 libc 라이브러리와 연결합니다. 링커는 컴파일러 단계에서 생성된 심볼 테이블을 사용하여 서로 다른 객체 파일 및 라이브러리 간의 참조를 해결합니다.

 

Loader

로더는 운영 체제의 일부로, 프로그램을 메모리에 가져와 실행합니다.

- 프로그램 실행에 필요한 메모리 공간을 할당합니다.

- 레지스터를 초기 상태로 설정합니다.

 

 

 

매번 보던 파일이 어디서 어떤 역할을 하는지 알게된 유익한 내용이었습니다.

 

참고

https://www.vadimbulavin.com/xcode-build-system/

Understanding Xcode Build System