[TIL]C의 malloc 은 어떻게 모든 플랫폼에서 동작하는가?

c의 malloc 을 직접 구현해 보는 malloc_tutorial.pdf 을 읽고있습니다.
리눅스의 syscall 을 써서 구현하더라구요. 그럼 윈도우에서는 어떻게 구현하지 이런 질문이 머리속에 떠올랐습니다.
GPT 와의 문답을 정리해 봤습니다.
오랜만에 대학시절에 배운것들도 생각나고 재밌었네요.

• 소프트웨어는 하드웨어를 제어한다. C는 고수준 언어이면서도 높은 하드웨어에 제어능력을 가진다.

• atmega128 이라는 MCU(micro controller unit) 에서 돌아가는 프로그램을 C 로 만들때는 데이터시트를 읽고 특정 레지스터 에 바이트를 쓰거나 특정 핀에 출력을 제어하는 저수준 프로그램을 짰다. 예를들어 레지스터에 특정 값을 설정하는 DDRB |= (1 << PB0); 같은 코드. c 파일에는 atmega128 를 사용하기 위한 라이브러리인 avr/Io.h 가 포함된다.

• c 코드는 atmega128 를 타겟으로 컴파일 된다. (avr-gcc 를 사용한다.) 컴파일 결과는 atmega128 의 기계어이다. 이 결과물은 atmega128 과 연결된 메모리에 올라가고 운영체제 없이 식접 atmega128 를 제어한다. 이러한 OS 레이어를 거치지 않는 프로그래밍을 베어메탈 프로그래밍 이라고 한다.

• 그럼 아두이누는 뭘까 아두이누에도 atmega 계열의 MCU 가 올라간다. 하지만 아두이누는 하드웨어 제어를 위해서 한단계 추상화한 계층을 제공한다. avr/Io.h 를 사용할때는 레지스터를 제어하던 코드는 아두이누에서는 pinMode(13, output) 와같은 고수준 표현이 된다. 당연히 아두이누용으로 c 코드를 컴파일하면 기계어가 나온다.

• 그럼 리눅스 운영체제 위에서 c 코드를 컴파일 하면 어떻게 되는걸까? 컴파일 결과물은 리눅스 전용이다. 컴파일 결과물은 리눅스커널을 통해서(OS레이어를 거쳐서) 하드웨어와 소통한다. 컴파일 결과물은 기계어다. 단지 리눅스위에서 실행될 뿐이다.

• 그럼 어셈블리어 는 뭘까? 어셈블리어는 기계어 보다 딱 한단계 높은 수준의 언어이다. 어셈블리어는 CPU 아키텍쳐에 종속적이다. 기계어로 프로그래밍을 하는 것 보다. 높은 수준의 어셈블리어를 사용하는게 사람에게는 더 편하다. 지금 우리는 JAVA와 같은 고수준 언어를 작성하고, 특정 문제에 대해서 DSL(domain-specific-langage) 을 사용해 프로그래밍 하기도 한다.

• 현대 컴파일러는 어셈블리어를 생성할 수도 있고, 바로 기계어를 생성 할 수도 있다. 지금도 어셈블리어 결과물이 필요할 때가 있을까? 있다. 디버깅이나 성능 최적화에 사용할 수 있다. 어셈블리어에서는 높은 레벨의 언어가 추상화 하는 프로그램의 런타임의 행동을 보다 쉽게 이해할 수 있다.

• 컴파일단계는 다음과 같이 단계를 나눌 수 있다.

  [Front-end (언어 분석)] → [IR (중간 표현)] → [Back-end (기계어 생성)]

  이렇게 단계를 나누면, 언어가 추가될때는 FE 부분을 변경하고 CPU 아키텍쳐가 추가되면 BE 부분만 변경하면 된다.
  중간단계를 가지는 것으로 없던 이식성이 생긴다.

• 자바를 컴파일 하면 바이트코드가 생성된다. 바이트코드는 VM 위에서 동작하는 기계어 같은 것이다.
  바이트 코드도 일종의 중간표현이다.

• 이렇게 보니 JAVA의 bytecode, JVM 아이디어는 엄청나게 혁신적이라기 보다는, C 와 다른 설계철학으로 기존 아이디어를 확장 JVM의 구현으로 Write once, run anywhere 를 달성한 것 처럼 보인다.

• 요즘은 WebAssembly 라는 바이트코드 포맷이 있다. C로 작성해서 결과물이 WebAssembly 이 되도록 컴파일 하면, JVM 과 같은 런타임, 예를들면 node.js, V8, Wasmtime 위에서 실행할 수 있다.

• 다시 C로 돌아와서 C 의 컴파일 결과물이 플랫폼(OS)에 종속적 이라면 malloc 표준 라이브러리는 어떻게 같은 동작을 하는걸까? 실제로 표준 라이브러리의 malloc 을 열어보면 시그니쳐만 확인할 수 있다. 마치 JAVA의 interface 와 같은 것이다.
  실제 구현은 아래처럼 시스템 마다 다른 파일에 위치해 있다.

  • 리눅스: glibc/malloc/malloc.c

  • 맥: libmalloc

  • 윈도우: msvcrt.dll

• 컴파일을 하면 이것들과 malloc 이 링킹 된다.