--nostdlib과 --nostartfiles에 대하여

--nostdlib, --nostartfiles...

사실, gcc나 clang에 익숙하신 분들도 특정 분야를 제외하곤 이 플래그에 대해서는 생소하실 것이라고 생각한다.

그도 그럴 것이 이 플래그들은 펌웨어나 드라이버를 제작할때나 쓰이는 플래그들로, 평소엔 볼일이 없다는 것이 사실이다.

그럼에도, --nostdlib, --nostartfiles를 통해 몇가지 이점을 얻을 수 있다.

• 작은 코드 크기
• 가벼운 런타임
• 불필요한 종속성 제거

모두 가벼운 App을 개발하는데에 필요한 조건들이다.

본인 또한 작은 배포 크기에 집착하다 이 플래그를 알게되었고, 이 플래그들을 써오며 골치 아픈 일들이 꽤나 있었기에, 사용법이나 기타 팁들을 공유하고자 한다.

--nostdlib, --nostartfiles의 동작?

1. -nostdlib

먼저, -nostdlib은 이름에서도 쉽게 알수 있듯, 표준 라이브러리들을 전부 기본 링크 대상에서 제외하겠다는 플래그다.

msvcrt, ucrt, libgcc 등등 모든 기본 종속성이 제거된다. 따라서 단순히 -nostdlib 플래그만 적용시키고 프로젝트를 컴파일하면, 수많은 오류를 뿜어낼 것이다.

_"Undefined symbol: ___chkstk_ms"_ 에 대하여

MinGW에선 ___chkstk_ms입니다만, Darwin에선 ___chkstk_darwin이고, 어떤 Linux 배포판에선 그냥 __chkstk이기도 합니다. 플랫폼 마다 이름이 조금씩 다르니 유의해 주십시오.

___chkstk_ms... 본격적으로 --nostdlib을 적용하고, 사용한 모든 함수의 문서를 뒤져가며 필요한 종속성을 추가한 당신에게, 코드에 사용된 적도 없고, 듣도 보도 못한 함수가 정의되지 않았다며 당신을 반길 것이다.

gcc나 clang은 stack-overflow를 방어하기위해 함수 호출시에 같이 호출될 함수를 끼워넣는데, 이것이 바로 ___chkstk_ms다. 구체적인 원리는 알 필요 없고, 그런게 있다고만 알아두면 된다.

문제는 이것이 libgcc.a에 정의되어있다는 것이고, --nostdlib는 이 종속성을 제거한다.

간단히 -lgcc 플래그를 쓰거나, -fno-stack-check 플래그로 아예 스택 보호를 없애버릴 수도 있다.

가끔 링크 오류나는 김에 ___chkstk_ms를 아래와 같이 정의해버리는 경우가 있는데, 당연히 작동 안하고, 문서화도 안돼있는지라, MinGW 레포지토리에서 소스 긁어와서 실험적으로 사용할게 아니라면, 순순히 -lgcc나 -fno-stack-check를 쓰는 편이 편하다.

.text
.global ___chkstk_ms
___chkstk_ms:
    ret

2. --nostartfiles

--nostartfiles는 크게 두가지 기능을 가지는데,

1. 기본 CRT 종속성을 제거한다.
2. 표준 혹은 사실상 표준으로 자리잡은 모든 초기화 과정을 무시한다.

C언어를 사용중이거나, 2번에 대해 충분히 숙지하고 있다면, 진행해도 좋다.

이하 본문은 Windows에서의 시나리오만 다룹니다. 타 플랫폼을 이용하시는 분들은 해당 플랫폼 혹은 컴파일러의 문서를 참조해 주십시오.

표준은 아니지만, C컴파일러에 의해 Windows의 Entry Function은 총 4종류다. 사용하는 프로그램이 Console이냐 아니냐에 따라서 WinMain 계열과 main 계열로 갈리고, 매크로 WPRFLAG가 정의되었냐 아니냐에 따라서 w 접두사의 유무가 결정된다.

표로 나타내면 다음과 같다.

	WCS	MBCS
Windows	wWinMainCRTStartup	WinMainCRTStartup
Console	wmainCRTStartup	mainCRTStartup

• WPRFLAG가 정의되었다면 WCS 환경, 정의되지 않았다면 MBCS 환경이다.
• _WINMAIN_이 정의되었다면 Windows app, 정의되지 않았다면 Console app이다.

C/C++에서 Entry point가 main이나 WinMain인줄 알고있던 사람도 있을 것이다.

엄밀히 따지자면, mainCRTStartup또는 그 친구들이 기본 환경을 초기화하고 main을 호출하는 것이다. 이는 기본 CRT 종속성에 정의되어 있었으나, --nostartfiles로 없애버렸기 때문에, 원래 mainCRTStartup이 하던 일을 일부분만(나머지 일부분은 쓸모없다) 다시해줘야 한다.

원래 mainCRTStartup이 해주는 일은 다음과 같다(MSVC 기준).

1. 윈도우 버전 알아내서 전역 변수(_osver, _winminor, _winmajor, _winver)에 저장
2. 힙 초기화(_heap_init, 내부적으로는 HeapCreate를 호출한다)
3. 멀티스레드 초기화(_mtinit, _MT 매크로가 정의된 경우)
4. Command-line 값, 환경변수 값 알아내서 전역 변수(_*cmdln, _*envptr, _*argv, _*envp 등)에 저장
5. *WinMain 혹은 *main 호출
6. exit code 반환

1, 2, 3번 항목은 웬만하면 쓰일 일이 없어서 해줄 필요가 없다. 애초에 이것들을 직접 써볼만한 실력을 가지고 있다면 이 글을 읽고 있지 않을 것이다.

우리가 직접 해주어야 하는 것은

1. Command-line 값 알아오기
2. exit code 반환

둘 뿐이다.

간단하게 아래와 같이 짜 볼 수 있다.

#include <windows.h>

int mainCRTStartup(void)
{
    int argc = 0;
    LPWSTR* argv = CommandLineToArgvW(GetCommandLineW(), &argc);

    // do stuff...

    LocalFree(argv);
    return 0;
}

본래 mainCRTStartup은 try-catch문(기본적으로 SEH)을 통해 표준 Entry point(main)를 실행하는 도중 예외가 발생하면 프레임 포인터를 정리하고 오류코드를 반환한 다음 뻗어버리지만, 위처럼 구현하면 stack-overflow라도 생겼을때, 아무것도 정리가 안된채로 segmentation fault 뿜고 뻗는다.

그래서 디버그할때 힘들다.

이때, 스택프레임에 잡히지 않는 대부분의 버그는 stack-overflow에서 생긴다. 배열을 정적할당에서 동적할당으로 전부 바꾸면 대부분의 런타임 에러가 사라진다.

gdb나 lldb에서 스택프레임에 달랑 ___chkstk_ms하나만 찍혀있고 그 이전은 stack corruption?이라는 메시지와 함께 나오지 않는다면 확실하다.

제거되는 종속성 목록

• MinGW

	-nostartfiles	-nodefaultlibs	-nostdlib
crt2.o	trimmed		trimmed
crtbegin.o	trimmed		trimmed
crtend.o	trimmed		trimmed
-ladvapi32		trimmed	trimmed
-lgcc		trimmed	trimmed
-lgcc_eh		trimmed	trimmed
-liconv		trimmed	trimmed
-lkernel32		trimmed	trimmed
-lmoldname		trimmed	trimmed
-lmingw32		trimmed	trimmed
-lmingwex		trimmed	trimmed
-lmsvcrt		trimmed	trimmed
-lpthread		trimmed	trimmed
-lshell32		trimmed	trimmed
-luser32		trimmed	trimmed

• Linux

	-nostartfiles	-nodefaultlibs	-nostdlib
/usr/lib/scrt1.o	trimmed		trimmed
/usr/lib/crt1.o	trimmed		trimmed
/usr/lib/crtn.o	trimmed		trimmed
crtbeginS.o	trimmed		trimmed
crtendS.o	trimmed		trimmed
-lgcc		trimmed	trimmed
-lgcc_s		trimmed	trimmed
-lc		trimmed	trimmed

제거되는 종속성에 관한 자세한 내용은 링크를 참조하자.

오류 지적은 언제나 환영중이다.