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Programming Language with LLVM in Udemy 인강을 듣고 나서

게시 2024/07/05 업데이트 2024/07/05
By JooHyoung Cha
11 분읽는 시간

개요

본 글은 정말로 뻘글이 될 수 도 있으며, 단순히 LLVm의 프론트엔드를 어떻게 만들어야 하는지, LLVM에 대해서 조금 더 공부해보기 위해서 인강을 수강하게 되었다. 특히, 나만의 컴파일러를 만들어 보고싶다는 생각은 코딩을 시작할 때 부터 가졌었던 나만의 욕심중 하나 였던것이 조금 컸었던것 같기도 하다.

해당 프로젝트는 필자가 중학교 2학년 때, 처음으로 한번 인터프리터 언어를 만들어 보고 싶어서 만들게 된 프로젝트이다. [Korea-Compiler]는 정말로 단순한 구조를 가졌으며, 어떻게 보면 중학교 2학년 학생이 만들만한 문법 구조이다.

이 처럼, 필자는 약간 컴파일러나 인터프리터를 만들어 보고 싶었던 것 도 있었으며, 대학원 진학을 컴파일러 분야로 가게된 것도 하나의 인강을 듣게된 이유가 되었다. 솔직하게는, 책이나 자료가 너무 없었기도 했고 빠르게 LLVM 프론트엔드가 어떻게 구성이 되었는지 궁금하였기 때문에 인강을 구매하게 된 이유이다.

내용

내용 자체가 후기다 보니, 강의에 대한 내용 및 코드에 대해서 직접적으로 언급은 하지 않는다.

만약 강의에 대한 Demo에 대한 내용은 [유튜브] 에서 먼저 들을 수 있다. 그리고 내용 자체가 중급자로 잡혀져 있기도 하며, 사전에 충분한 컴파일러와 C++에 대해서 알고 있어야하는 내용이 많다.

내용으로는 Eva라는 새로운 언어를 만들고, 해당 언어에 대해서 Parser에 대한 구현은 생략하고, 오직 AST와 Code Generation 분야에 대해서만 서술되어지고 있다. 이때, 최대한 Eva라는 언어는 LLVM IR을 생성하고, clang++을 통해서 실행 바이너리를 생성하는 구조이다. 때문에, 강의는 오직 Frontend, AST와 Code Generation 을 수행한다.

공부를 하긴 했지만,,, 너무 추상적이기도 하며 필자가 이해를 잘 못한것 같기도 하다. 불구하고,,, 배운 내용을 기억하고자 정리를 하자면 아래와 같다.

  1. dynamic library를 IR 생성하는 단계에서 linking 및 Verify 할 수 있다.
    • printf 나 malloc 을 외부에서 가져올 수 있다.
    • Stack에 메모리 할당 하는 것은 alloca이라는 LLVM IR의 ISA에서 정의할 수 있지만 Heap에 정의하려면 malloc을 사용하더라~
  2. 결국엔 코드 생성하기 위해서 변수 선언 부터 모든것을 만들어야 한다.
    • 변수를 만들고 싶으면 Create Variable 해서 생성해야하고, 임시 변수를 사용하거나 무엇을 하던지 간에 생성해야한다.
  3. 변수나 함수를 생성했다면, 컴파일러 내부에서 기억하고 있어야 한다.
    • LLVM은 변수나 함수를 생성하였다면 IR 생성하고 끝나지, 직접적인 관리는 Frontend나 Own Compiler 에서 관리를 해야한다.
    • 하지 않았다면 잃어버린 것이다.
  4. Control Flow는 대박이다! 모든 것이 GoTO로 이뤄진다. 그것은 GOTO이다
    • if 문으로 이뤄졌다면 goto는 2개로 이뤄져 있다.
    • if 문 내부와 if 문이 끝났을 때
  5. 구조체는 GEP 이라는 LLVM의 명령어로 동작된다.
    • LLVM IR에서는 구조체를 생성하고 나서 각 내부 변수마다 인덱스를 지정한다.
    • 해당 인덱스는 추후, GEP 이라는 Inst에서 이름이 아닌, 인덱스로 호출된다.
    • GEP은 다용도로 사용이 가능하도록 만들기 위해서 배열 구조체 구조체 라면 Index 3개(varadic) 지정 할 수 있도록 되어 있다.
  6. 비 캡처 함수와 람다 함수는 구현적으로 매우 매우 다르다.
    • 비 캡처 함수는 컴파일러 입장에서 함수와 동일하므로, 이름만 랜덤한 난수로 지정하면 Lambda-Lifting 기법을 통해 만들어 질 수 있다.
    • 캡처 함수는 생각해보자! 캡처된 변수를 Heap 저장하고 Free 할 것인가? 너무 비효율적이지 않는가?
    • 그렇다면 전역 변수(Global)하게 만들 것인가? 그렇다면 만약, Closure 처럼 함수를 생성하는 함수 구조라면 어떻게 될 것인가? 매번 생성하기에는 어렵지 않는가?
    • 그래서 람다 함수는 클래스화하여, 함수 포인터와 캡처된 변수를 함께 소유하고 있는 구조라면 가능하다!
    • 그렇다! 본 강의에서는 함수형 프로그래밍의 Closure는 호출 가능한 객체와 동일하다고 서술되어지고 있다.
  7. 클래스 상속에서 발생 가능한 가상 함수는 정말로 신기한 구조였다.
    • 필자가 작성한 2가지의 예시를 통해 가상 함수에 대해서 완벽! 이해를 할 수 있을거라 생각한다.

필자가 작성한, 클래스에 대한 예시 코드이다.

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using FuncPtr = void(*)();
class Base {
public:
    virtual void show() {
        std::cout << "Base class" << std::endl;
}};

class Derived : public Base {
public:
    int data = 0;
    void show() override {
        std::cout << "Derived class " << data << std::endl;
}};

먼저 Base 클래스와 Derived 클래스의 크기를 확인해보자. 아래의 값을 확인해 본다면, 빌드 환경이 x64라면 8, 16 이 나타나게 되고, x86이라면 4, 8이 나타나게 된다. 즉, 이를 통해 무언가가 모르겠지만 virtual 이란 것 때 포인터 변수가 하나 존재한 다는 것을 실험적으로 확인 할 수 있다. 그리고 해당 변수가 사실 vtable, 가상 테이블(함수 목록을 간접적으로 가르키는) 변수라는 것을 실험적으로 확인해 볼 수 있다.

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int main() {
    cout << sizeof(Base) << " " << sizeof(Derived) << "\n";
    return 0;
}

아래의 코드에서 강제적으로 캐스팅 연산을 수행하고, 함수 포인터로 호출하는 과정을 나타내보았다. Derived에도 vtable이 존재하므로 vtable에 있는 첫번째 함수 포인터가 show 이므로 show in Derived가 호출이 되는 것을 알 수 있다.

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int main() {
    Derived d;
    void** vptr = *reinterpret_cast<void***>(&d);
    FuncPtr func = reinterpret_cast<FuncPtr>(vptr[0]);
    func();
    return 0;
}

만약에 vtable이 잘 이해가 되지 않는다면 아래의 그림을 보면 이해가 된다. (정말 뇌 뺴고 ChatGPT에게 맡기니 잘 그려준다…)

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Base Class:
  +---------------------+
  | vtable pointer -----|----+
  +---------------------+    |
  | VirtualFunction1()  |    |
  +---------------------+    |
  | VirtualFunction2()  |    |
  +---------------------+    |
                             |
                             v
                     +---------------+
vtable for Base      | &VirtualFunc1 |
Class:               +---------------+
                     | &VirtualFunc2 |
                     +---------------+

Derived Class:
  +---------------------+
  | vtable pointer -----|----+
  +---------------------+    |
  | VirtualFunction1()  |    |
  +---------------------+    |
  | VirtualFunction2()  |    |
  +---------------------+    |
                             |
                             v
                     +---------------+
vtable for Derived   | &DerivedFunc1 | (overrides VirtualFunc1)
Class:               +---------------+
                     | &VirtualFunc2 | (inherits from BaseClass)
                     +---------------+

후기

결론적으로는 아직까진 자세히 (완벽하게는) 모르겠지만, 어셈블리와 같이 모든 코드를 작성해줘야한다는 것은 알게 되었다. 또한, 클래스 부분에서 필자가 알던 것 처럼 Class는 사실 구조체에 정적 함수로 바뀐다는 것을 알고 있었지만 이를 강의에서 직접 코드로 보여줌으로 써 얻는 희열도 있었다.

그리고 가장 신기하였던 부분으로는 상속으로 인한 vtable이란 내용에서 이전에 읽은 Optimized C++ 책에서 가상 함수는 매우 느리다 란 내용에서 왜 느린지, 어떻게 동작이 되는지에 대해서 컴파일러 레벨에서 공부 할 수 있어서 매우 좋은 기회가 되었다.

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