전처리

전처리Preprocessing ^[1]^[2]는 C의 강력한 구성요소이며, C를 다른 프로그래밍 언어와 구분시키는 수많은 특징 중 하나입니다. C로 작성된 소스 코드에서 전처리기 지시자Preprocessor Directive 가 포함된 코드가 전처리 과정과 관련되어 있습니다. 전처리는 전처리기Preprocessor 가 담당하고, 전처리 과정을 거치면 소스 코드에서 #으로 시작하는 코드들이 전부 처리되어 컴파일러가 직접 컴파일할 수 있는 컴파일 단위Compilation Unit / 변환 단위Translation Unit 가 만들어집니다. 이 섹션에서는 전처리를 위한 여러 수단과 그 과정 및 결과 등 전처리에 대한 본격적인 내용을 다룹니다.

전처리란 무엇인가?

C로 작성된 소스 코드source code 에서는 #이 빠지지 않는다. 대표적으로 #include <stdio.h> 가 있다. 그런데 이 코드는 엄밀히 말하자면 C 코드가 아니다. C언어로 작성된 코드를 해석하는 일은 컴파일러compiler의 역할인데, 컴파일러는 #로 시작하는 코드를 해석하지 못한다.^[3] #로 시작하는 C 전처리기 지시자C preprocessor directive 를 해석하는 것은 다른 프로그램의 몫이고, 컴파일러는 그 프로그램에 의해 해석된 결과가 반영되어 내용이 바뀐 코드를 해석한다. 소스 코드가 컴파일러로 넘어가기 전에 C 전처리기 지시자를 읽고 처리해 주는 이 프로그램이 바로 C 전처리기C preprocessor 이며, 소스 코드를 다듬는 과정이 바로 C의 전처리 과정이다.

전처리 과정의 구체적인 단계

구체적으로 전처리 과정은 C의 컴파일 파이프라인이라고 할 수 있는 Phases of Translation 중 1~4단계에 해당한다.

각 단계는 다음과 같다:

1단계

우리가 작성한 소스 코드는 기본적으로 UTF-8이나 EUC-KR처럼 각 문자가 특정한 방법에 따라 인코딩encoding 되어 있다. 우선 전처리기에서는 컴파일러가 소화할 수 있도록 이 소스 코드의 각 바이트를 소스 문자 집합source character set 에 속하는 문자로 변환한다.

Source Character Set

소스 문자 집합은 다음 96개의 문자로 구성된다:

스페이스, 수평 탭, 수직 탭^[4], 페이지 나누기form feed, 줄 바꿈new-line^[5]
'0'부터 '9'까지의 숫자 문자들 10개
총 52개의 알파벳 대문자와 소문자 : 'a'~'z', 'A'~'Z'
29개의 구두점 문자punctuation characters : _ { } [ ] # ( ) < > % : ; . ? * + - / ^ & | ~ ! = , \ " '

이때 추가로 삼중자trigraph sequence^[6]를 변환하게 되는데, 이 과정은 C++17부터 C++에서 없어졌으며, C23을 마지막으로 C에서도 없어질 예정이다.

2단계

이 단계에서는 \(역슬래시, backslash)^[7]가 등장할 때마다 이 뒤에 이어지는 줄바꿈과 같이 없애는 과정을 통해 소스 코드 상에서 두 줄로 나뉘어 있던 코드를 한 줄로 합친다.

3단계

이제 소스 파일은 주석comments, 공백 문자들sequences of whitespace characters, 그리고 전처리 토큰preprocessing tokens 으로 분해된다.

Preprocessing Tokens

전처리 토큰은 전처리기가 코드를 해석하는 단위며, 그 종류는 다음과 같다:

<stdio.h> 나 "myheader.h"와 같은 헤더 파일의 이름이나 식별자identifier^[8]
스트링 리터럴string literals, 상수constant 와 같이 전처리 대상에 해당하는 데이터
연산자와 구두점punctuator
그 외 공백이 아닌non-whitespace 다른 문자들

모든 주석은 공백 한 칸으로 대체되며, 줄 바꿈은 유지되지만, 나머지 공백 문자들이 어떻게 될지는 환경에 따라 다르다.

4단계

마지막 단계에서 #include 지시자와 함께 사용된 파일들 또한 1~4단계를 거친다. 이 과정을 통해 소스 코드 전체에서 전처리기 지시자는 사라지고 컴파일러에 입력되는 하나의 논리 단위가 완성되며 이것을 컴파일 단위compile unit 또는 변환 단위translation unit 이라 부른다.

실제 전처리 과정 살펴보기

// File name: ExtremeC_examples_chapter2_1.h
// Description: Contains the declaration needed for the 'avg' function

#ifndef EXTREMEC_EXAMPLES_CHAPTER_2_1_H
#define EXTREMEC_EXAMPLES_CHAPTER_2_1_H

typedef enum {
    NONE,
    NORMAL,
    SQUARED
} average_type_t;

// Function declaration
double avg(int*, int, average_type_t);

#endif

// File name: ExtremeC_examples_chapter2_1_main.c
// Description: Contains the 'main' function

#include <stdio.h>
#include "ExtremeC_examples_chapter2_1.h"

int main(int argc, char** argv) {
    // Array declaration
    int array[5];
    
    // Filling the array
    array[0] = 10;
    array[1] = 3;
    array[2] = 5;
    array[3] = -8;
    array[4] = 9;
    
    // Calculating the averages using the 'avg' function
    double average = avg(array, 5, NORMAL);
    printf("The average: %f\n", average);
    
    average = avg(array, 5, SQUARED);
    printf("The squared average: %f\n", average);
    
    return 0;
}

// File name: ExtremeC_examples_chapter2_1.c
// Description: Contains the definition of the function 'avg'

#include "ExtremeC_examples_chapter2_1.h"

double avg(int* array, int length, average_type_t type) {
    if (length <= 0 || type == NONE) {
        return 0;
    }
    double sum = 0.0;
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        if (type == NORMAL) {
            sum += array[i];
        } else if (type == SQUARED) {
            sum += array[i] * array[i];
        }
    }
    return sum / length;
}

다음과 같이 함수와 자료형을 선언한 파일ExtremeC_examples_chapter2_1.h, 함수를 사용하는 main 함수가 있는 파일ExtremeC_examples_chapter2_1_main.c, 함수를 정의한 파일ExtremeC_examples_chapter2_1.c이 따로 분리되어 있는 프로젝트가 오늘의 실험 대상이다. 전처리기를 직접 사용하는 방법이 있고 컴파일러를 통해 우회적으로 사용하는 방법이 있는데, 두 방법 모두 프로젝트를 빌드하기 전에 우선 전처리의 결과만을 볼 수 있다.

gcc -E

대표적인 컴파일러인 GCCGNU Compiler Collection (이하 gcc)는 전처리를 위해 GNU C 전처리기를 사용한다. 여기서는 ExtremeC_examples_chapter2_1.c만을 전처리할 예정이다. gcc는 원래 컴파일을 위해 사용하지만, 전처리가 컴파일의 일부분이기 때문에 이를 이용해서 전처리 결과만을 확인할 수 있는데, 이것이 바로 gcc 컴파일러의 -E 옵션이다. 이 옵션을 통해 터미널에 gcc 명령을 입력하면 gcc는 전처리 이후 그 결과를 변환 단위로 터미널에 출력한다.

전처리 결과는 다음과 같다.

revenantonthemission@MacBook-Pro-2 PS % gcc -E ExtremeC_examples_chapter2_1.c
# 1 "ExtremeC_examples_chapter2_1.c"
# 1 "<built-in>" 1
# 1 "<built-in>" 3
# 418 "<built-in>" 3
# 1 "<command line>" 1
# 1 "<built-in>" 2
# 1 "ExtremeC_examples_chapter2_1.c" 2



# 1 "./ExtremeC_examples_chapter2_1.h" 1







typedef enum {
  NONE,
  NORMAL,
  SQUARED
} average_type_t;


double avg(int*, int, average_type_t);
# 5 "ExtremeC_examples_chapter2_1.c" 2

double avg(int* array, int length, average_type_t type) {
  if (length <= 0 || type == NONE) {
    return 0;
  }
  double sum = 0.0;
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    if (type == NORMAL) {
      sum += array[i];
    } else if (type == SQUARED) {
      sum += array[i] * array[i];
    }
  }
  return sum / length;
}
revenantonthemission@MacBook-Pro-2 PS %

clang -E

gcc 컴파일러의 -E 옵션은 clang 컴파일러에서도 동일한 기능을 수행한다. 이 옵션을 통해 터미널에 clang 명령을 입력하면 clang은 전처리 이후 그 결과를 변환 단위로 터미널에 출력한다.

clang 컴파일러의 실행 환경은 다음과 같다.

revenantonthemission@MacBook-Pro-2 PS % clang -v
Homebrew clang version 17.0.6
Target: arm64-apple-darwin23.4.0
Thread model: posix
InstalledDir: /opt/homebrew/opt/llvm/bin
revenantonthemission@MacBook-Pro-2 PS %

그리고 전처리 결과는 다음과 같다.

revenantonthemission@MacBook-Pro-2 PS % clang -E ExtremeC_examples_chapter2_1.c
# 1 "ExtremeC_examples_chapter2_1.c"
# 1 "<built-in>" 1
# 1 "<built-in>" 3
# 420 "<built-in>" 3
# 1 "<command line>" 1
# 1 "<built-in>" 2
# 1 "ExtremeC_examples_chapter2_1.c" 2



# 1 "./ExtremeC_examples_chapter2_1.h" 1







typedef enum {
  NONE,
  NORMAL,
  SQUARED
} average_type_t;


double avg(int*, int, average_type_t);
# 5 "ExtremeC_examples_chapter2_1.c" 2

double avg(int* array, int length, average_type_t type) {
  if (length <= 0 || type == NONE) {
    return 0;
  }
  double sum = 0.0;
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    if (type == NORMAL) {
      sum += array[i];
    } else if (type == SQUARED) {
      sum += array[i] * array[i];
    }
  }
  return sum / length;
}
revenantonthemission@MacBook-Pro-2 PS %

cpp

대부분의 유닉스 계열 운영체제에는 cppC Pre-Processor 라는 도구가 있는데, 유닉스 계열 운영체제에 포함된 C 개발 번들의 일부이며 C 파일을 전처리할 때 사용할 수 있다. 앞서 살펴본 gcc와 같은 C 컴파일러가 전처리 과정에서 사용하는 도구다. 보통은 컴파일러가 백그라운드에서 사용하지만, 아래와 같이 직접 사용할 수도 있다.

revenantonthemission@MacBook-Pro-2 PS % cpp ExtremeC_examples_chapter2_1.c
# 1 "ExtremeC_examples_chapter2_1.c"
# 1 "<built-in>" 1
# 1 "<built-in>" 3
# 417 "<built-in>" 3
# 1 "<command line>" 1
# 1 "<built-in>" 2
# 1 "ExtremeC_examples_chapter2_1.c" 2
// File name: ExtremeC_examples_chapter2_1.c
// Description: Contains the definition of the function 'avg'


# 1 "./ExtremeC_examples_chapter2_1.h" 1
// File name: ExtremeC_examples_chapter2_1.h
// Description: Contains the declaration needed
//              for the 'avg' function




typedef enum {
  NONE,
  NORMAL,
  SQUARED
} average_type_t;

// Function declaration
double avg(int*, int, average_type_t);


# 5 "ExtremeC_examples_chapter2_1.c" 2

double avg(int* array, int length, average_type_t type) {
  if (length <= 0 || type == NONE) {
    return 0;
  }
  double sum = 0.0;
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    if (type == NORMAL) {
      sum += array[i];
    } else if (type == SQUARED) {
      sum += array[i] * array[i];
    }
  }
  return sum / length;
}
revenantonthemission@MacBook-Pro-2 PS %

전처리의 결과물

전처리의 결과로 만들어진 컴파일 단위(변환 단위)는 .c 확장자를 가지는 소스 파일과 달리 .i 확장자를 가진다. 따라서 .i 확장자를 가진다는 것은 전처리 과정을 이미 마쳤다는 뜻이며, 따라서 곧바로 컴파일 단계로 보내야 한다. 이런 파일을 전처리기로 보낼 경우, 컴파일러가 이미 파일이 전처리되었다는 경고 메시지를 보낸다.

revenantonthemission@MacBook-Pro-2 PS % clang -E ExtremeC_examples_chapter2_1.c > ex2_1.i
revenantonthemission@MacBook-Pro-2 PS % clang -E ex2_1.i
clang: warning: ex2_1.i: previously preprocessed input [-Wunused-command-line-argument]
revenantonthemission@MacBook-Pro-2 PS %

참고 자료 & 더보기

참고 자료

Amini, K. (2022). 전문가를 위한 C (박지윤, Trans.; 1st ed.). 한빛미디어.
GNU C Preprocessor의 내부 구조를 설명하는 공식 문서
GNU C Preprocessor에 대한 개요
C 전처리기에 대한 위키피디아 페이지
The Preprocessor: Everything You Need to Know and More! - Brian Ruth - CppCon 2021
C++ Reference - Phases of Translation
C++ Reference - Preprocessor
C++ Reference - Identifier
What is a vertical tab?
What are carriage return, line feed, and form feed?

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