[Swift]의 빌드 과정과 메모리 구조

요즘 java의 작동 방식에 대해서 배우고 있는데, 생각해보니 swift는 어떤 과정을 통해 빌드가 되고 있고 메모리 영역은 어떻게 나뉘어 있는지, 어떤 머신으로 돌아가고 있는지에 대해서는 모르고 있었다는 것을 깨달았다. 이번 기회에 swift가 돌아가는 과정을 공부해보려고 한다. 

 

 

 

 

 

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Swift 프로그램은 Xcode의 빌드 시스템에 의해 처리된다.

 

Xcode Build System이란?

Apple의 통합 개발 환경 (IDE)인 Xcode에서 프로젝트를 빌드하고 컴파일하는 데 사용되는 소프트웨어 시스템이다. 

빌드 시스템은 코드와 리소스 파일을 완성된 앱으로 변환하는 도구를 관리한다. Xcode에 프로젝트를 빌드하라고 지시하면 빌드 시스템은 파일을 분석하고 프로젝트 설정을 사용하여 수행할 작업 세트를 조합한다. 프로젝트 설정으로 빌드 프로세스를 수정하고 빌드를 완료하는 데 필요한 작업을 추가한다.

 

 

Xcode build system은 다음과 같이 5가지 부분으로 구성된다.

 

1. Preprocessor 전처리기

컴파일러에게 제공할 수 있는 방식으로 프로그램을 변환해주는 역할. llbuild라는 Xcode의 하위 레벨 빌드 시스템을 통해 dependencies를 해결한다. #if DEBUG ~ #endif, #define 과 같은 전처리문이 여기서 수행된다.

 

 

2. Compiler 컴파일러

Swift , Objective-C 및 C/C++ 소스코드를 어셈블리어로 변환해주는 역할. 

여기서 Apple에서 진행한 컴파일러에 필요한 툴체인 프로젝트인 LLVM을 사용한다.

LLVM은 두 가지의 컴파일러를 사용한다. 하나는 swiftc(swift-clang)라는 Swift용 컴파일러고, 하나는 Objective-C , Objective-C++ 및 C/C++ 파일용인 clang이다.

컴파일러는 프론트엔드/백엔드 두 가지 부분으로 구성되는데,

위에서 말한 swiftc와 clang은 프론트엔드 역할에 해당하며 고급언어(Swift, C)를  IR로 바꾸어준다. 프론트엔드 단계에서 소스 프로그램의 Intermediate Representation(이하 IR)과 소스 프로그램에 대한 정보를 수집하는 symbol table이 생성된다. (*symbol table: property, function, class 이름을 저장하고 매핑하는 역할.) 

 

백엔드 단계에서는 IR을 최적화한 뒤, 타겟머신에 맞는 어셈블리어로 변환된다.

 

 

3. Assembler 어셈블러

어셈블러는 사람이 읽을 수 있는 Assembly code를 기계어 코드로 변환해주고, 코드와 데이터 모음인 Mach-O 파일을 생성한다. Xcode에서 .o 타입을 가지는 파일들이 있는데 이를 Mach-O 타입이라고 명칭한다. Mach-O 파일은 object 파일, 실행 파일 및 라이브러리에 사용되는 iOS 및 macOS 운영 체제용 특수 파일 형식이다.

 

 

4. Linker 링커

링커는 어셈블러에서 만든 object 파일과 라이브러리를 병합하여 실행할 수 있는 파일로 만들어 주는 역할.

어셈블러와 링커 모두 Mach-O 파일로 출력하는데, 여기에는 약간의 차이가 있다.

어셈블리 단계에서 나오는 object 파일은 아직 링커에서 연결되지 못한 부분이 포함되어 있을 수 있다.

 

 

5. Loader 로더

마지막으로 운영체제의 일부인 로더(loader)는 만들어진 실행 파일을 메모리에 올려놓고 실행하는 역할을 한다. 로더는 프로그램 실행에 필요한 메모리 공간을 할당하고 레지스터를 초기 상태로 초기화한다.

 

 

 

 

 

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Swift의 메모리 구조

프로그램이 실행되면 운영체제는 메모리 공간을 할당해주는데 메모리는 총 4개의 영역으로 나뉜다.

 

Code	• 소스 코드를 기계어 형태로 저장 • 컴파일 타임에 결정
Data	• 데이터 저장 (전역변수, static변수) • 컴파일 타임에 결정 • 프로그램 시작과 동시에 할당되며, 프로그램 종료시 메모리 해제
Heap	• 참조 타입 저장 (class, closure, function, ...) • 런타임 시에 결정 • 힙은 사용 후 반드시 메모리 해제를 해주어야 하는데, swift는 ARC라는 것이 자동으로 해제해줌 (가비지컬렉터 같은건가..?)
Stack	• 값 타입 저장 (struct, enum, tuple, 기본자료형, ...) (* let msg = "Hello" 같은 값도 스택에 저장) • 컴파일 타임에 결정 • 함수가 종료되면 메모리도 해제

 

간단하게 정리해보았는데, 메모리 구조에 대해서는 공부하고 정리할 것이 많아서 따로 포스팅을 해야겠다...:)

 

 

 

 

 

 

 

 

Reference

Build system | Apple Developer Documentation

 

Understanding Xcode Build System

 

LLVM이란

 

iOS) 메모리 구조 (Code, Data, Stack, Heap)

 

iOS) 메모리 관리 (1/3) - ARC(Automatic Reference Counting)