POSIX, C

POSIX(Portable Operating System Interface)란?

POSIX는 다양한 유닉스 계열 운영체제에서 공통적으로 사용할 수 있도록 만든 운영체제 인터페이스 표준이다. 이는 개발자가 운영체제에 상관없이 동일한 코드로 프로그램을 개발할 수 있게 해주는 API 명세라고 할 수 있다.

시스템 구성의 기본 개념

시스템 = 운영체제(소프트웨어) + 하드웨어(CPU, 메모리 등)
애플리케이션 = 실행 중인 프로그램 = 프로세스
프로그램은 커널과 통신하여 시스템 자원 사용을 요청
커널은 하드웨어와 직접 통신하여 자원 제어를 수행
고수준(high-level) → 추상화 정도가 높고 커널이 알아서 실행
저수준(low-level) → 커널과 직접 소통(처리)
버퍼(buffer) = 데이터를 일시적으로 저장해두는 메모리 공간

POSIX API의 계층 구조

POSIX는 다음과 같은 계층적 구조를 가진다.

APP (애플리케이션)
POSIX (open(), read(), write() 등의 표준 함수)
System Call (실제 시스템 호출)
Linux (운영체제)
VFS (Virtual File System)
Ext3, Ext4, XFS, Btrfs, Quobyte (파일 시스템)

POSIX 주요 개념

구분	설명
POSIX	시스템 자원에 접근하기 위한 함수들의 형식과 동작을 표준화한 명세(인터페이스)
시스템 콜	커널이 실제로 수행되는 실행 코드로, POSIX 함수들이 내부적으로 호출
glibc	POSIX 함수들을 실제 구현한 C 라이브러리로, 시스템 콜을 감싸서 사용

왜 POSIX가 필요한가?

다음과 같은 문제상황이 발생할 수 있다.

운영체제마다 시스템 콜 형식이나 개수가 다를 수 있다
각 운영체제마다 프로그램을 새로 작성하거나 수정하는 것은 비효율적이다

위 문제는POSIX로 해결이 가능하다.

공통된 약속(API 명세)을 만들어 개발자는 POSIX만 지키면 여러 운영체제에서 공통으로 개발할 수 있음
각 프로그램은 운영체제에 맞게 컴파일만 새로 하면 알아서 동작함
결과적으로 이식성, 유지보수성, 재사용성의 향상

Array vs Pointer

구분	배열	포인터
정의	같은 타입의 값들을 연속된 메모리에 저장하는 공간	메모리 주소를 저장하는 변수
선언	`int arr[3];`	`int *ptr;`
메모리	1. 고정된 크기 2. 메모리에 연속해서 배치됨	1. 어디든 가리킬 수 있음 2. 동적으로 할당 가능
초기화	`int arr[3] = {1, 2, 3};`	`int *ptr = arr;` 또는 `malloc()` 등
이름이 가지는 의미	배열의 첫 번째 요소 주소처럼 동작	명시적으로 주소를 저장
주소 변경	불가능	가능
크기 변경	불가능	가능
sizeof 결과	배열 전체 크기	포인터 자체 크기(8byte)
동적 할당	불가능	가능

C / POSIX 입출력 IO

파일 디스크립터(File Descriptor)

→ 커널이 직접 관리하는 저수준 레벨의 자원(프로세스) 넘버링 식별자

스트림(Stream)

→ 사용자가 사용하기 편하도록 만들어진 고수준 인터페이스

세 가지 표준 스트림이 존재한다.

stdin: 표준 입력
stdout: 표준 출력
stderr: 표준 에러 출력

스트림은 내부적으로 파일 디스크립터를 감싸서 사용하며, 실제 I/O는 파일 디스크립터를 통해 커널이 수행한다.

텍스트 입출력 함수

📌 주요 출력 함수

#include <stdio.h>
 
// 문자열 출력 (줄바꿈 포함)
int puts(const char *s); 
puts("Hello"); // 출력: Hello\n
 
// 지정한 스트림에 문자열 출력 (줄바꿈 없음)
int fputs(const char *s, FILE *fp);
fputs("Hello", stdout); // 출력: Hello
 
// 포맷 문자열 출력
int printf(const char *format, ...);
int fprintf(FILE *fp, const char *format, ...);
printf("Hello %s, you are %d years old\n", "Alice", 23);
fprintf(stderr, "Error: code %d\n", 404);

📌 주요 입력 함수

// fgets - 안전한 문자열 입력
char *fgets(char *s, int size, FILE *fp);
char buffer[100];
if (fgets(buffer, 100, stdin)) {
    printf("입력값: %s", buffer);
}
 
// fscanf - 특정 형식에 따라 데이터 읽기  
int scanf(const char *format, ...);
int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);
int age;
scanf("%d", &age);

gets()가 위험한 이유

gets() 함수는 입력 크기 제한 없이 한 줄 전체를 읽어들이기 때문에 위험하다.

버퍼보다 더 많은 입력이 들어오면 → 메모리를 침범할 수 있음
자신에게 할당되지 않은 메모리 공간을 건드리는 행위는 비정상적인 값으로 덮어쓸 수 있음
버퍼 오버플로우가 발생할 수 있어 사용에 주의가 필요하다

C Toolchain: 컴파일 과정

C 프로그램을 실행 파일로 만들기 위해서는 여러 단계의 과정이 필요하다.

1. 전처리기(Preprocessor)

컴파일 전에 소스코드를 변형하는 도구다.

#include → 헤더 파일을 소스코드에 삽입
#define → 상수나 매크로 정의 및 치환
#ifdef, #if → 조건부 컴파일

#define PI 3.14
#ifdef DEBUG
    printf("디버그 모드입니다.\n");
#endif

2. 컴파일러(Compiler)

C 코드를 어셈블리어 코드(.s)로 변환

결과는 오브젝트 파일(.o)이며, 내부에는 다음이 포함된다.

상수 데이터
정적 심볼(static symbol) → 외부에서 접근 불가능한 변수나 함수
지역 전역 심볼(local global symbol) → 외부에서 접근 가능
미해결 심볼(unresolved symbol) → 다른 파일에서 정의될 항목

3. 어셈블러(Assembler)

어셈블리 코드(.s)를 기계어(바이너리 코드)로 변환 현대 컴파일러에서는 이 과정이 거의 자동화되어 있다

4. 링커(Linker)

여러 오브젝트 파일을 하나의 실행 파일로 결합한다.

링커는 다음의 역할을 수행한다.

각 오브젝트 파일의 심볼 테이블을 이용해 미해결 심볼 해결
필요한 라이브러리 함수 연결 (printf, malloc 등)
최종적으로 주소 지정 및 실행 가능한 바이너리 생성

Hello World 컴파일하기

#include <stdio.h>
int main() {
    printf("Hello, world!\n");
    return 0;
}

전체 컴파일 명령

gcc -Wall -Werror -O2 -g -std=c99 -o helloworld helloworld.c

각 옵션에 대한 설명은 다음과 같다.

-Wall: 모든 경고 메시지를 출력
-Werror: 경고를 오류로 처리
-O2: 최적화 레벨 2 적용
-g: 디버깅 정보 포함
-std=c99: C99 표준을 따름
-o helloworld: 출력 파일 이름 지정

빌드 과정을 단계별로 실행한다면 다음과 같이 명령어를 사용할 수 있다.

전처리: gcc -E helloworld.c
컴파일: gcc -S helloworld.c
어셈블: gcc -c helloworld.c
링크: gcc -o helloworld helloworld.o

실행파일이 링크하고 있는 공유 라이브러리 목록을 확인하려면 다음의 명령어를 사용할 수 있다.

ldd helloworld

시스템 콜과 라이브러리 함수

시스템 콜이란?

리눅스 시스템은 파일 시스템 접근, 사용자 정보, 시스템 정보, 시스템 시간정보, 네트워킹 등 다양한 서비스를 제공한다. 이러한 서비스를 이용해 프로그램을 구현할 수 있도록 제공되는 프로그래밍 인터페이스를 시스템 콜이라고 한다.

기본 형식

리턴 값 = 시스템 콜 함수명(인자, ...);

시스템 콜은 대부분 콜의 성공 유무를 알려주는 정숫값을 리턴하고, 전역변수 errno은 해당 값으로 설정된다.

📌 에러 처리 함수

perror(): errno 값을 사람이 읽을 수 있는 에러 메시지로 변환하여 출력
strerror(): errno 값을 사람이 읽을 수 있는 에러 메시지 문자열로 변환하여 반환

라이브러리 함수

미리 컴파일된 함수를 묶어 제공하는 특수한 형태의 파일이다. C 언어는 응용 프로그램 개발에 필요한 함수를 유형별로 분류해 라이브러리로 제공한다.

📌 라이브러리 위치

보통 /usr/lib에 위치 (usr는 Unix System Resource의 약자이다)

📌 라이브러리 종류

lib_.a_* (정적 라이브러리): 프로그램을 컴파일할 때 같이 실행 파일을 구성함
lib_.so_* (공유 라이브러리): 실행 파일에 포함되지 않고, 실행될 때 메모리에 로드됨

시스템 콜과 라이브러리 함수의 차이점

시스템 콜

커널의 해당 모듈을 직접 호출해 작업하고 결과를 리턴
커널, 즉 시스템을 직접 호출하기 때문에 시스템 콜이라고 부름

라이브러리 함수

커널 모듈을 직접 호출하지 않음
커널의 서비스를 이용하기 위해 함수 내부에서 시스템 콜을 사용

Jaewoo Kim