1. 개요
C# 애플리케이션이 소스 코드에서 실행 가능한 프로그램으로 변환되는 과정은 여러 단계로 이루어져 있습니다.
C# 컴파일러, 중간 언어(IL), 어셈블리(DLL, EXE), JIT 컴파일러 간의 관계와 전체 실행 흐름을 설명합니다.
2. 전체 실행 흐름
C# 소스 코드 → C# 컴파일러(Roslyn) → IL 코드 포함 DLL/EXE → CLR 로딩 → JIT 컴파일러 → 네이티브 머신 코드 → CPU 실행
3. C# 컴파일러 (로슬린 – Roslyn)
역할
- C# 소스 코드(.cs 파일)를 중간 언어(IL, Intermediate Language)로 변환
특징
- Microsoft의 오픈 소스 컴파일러 플랫폼
csc.exe로 실행되거나dotnet build명령어 실행 시 자동 호출- 어휘 분석, 구문 분석, 의미 분석, IL 생성의 단계적 작업 수행
- 주요 최적화는 JIT 컴파일 단계로 미루어짐
컴파일러 파이프라인 구성요소
- Syntax Tree API: 소스 코드의 구문적 구조 표현
- Semantic Model API: 코드의 의미론적 정보 제공
- Compilation API: 컴파일 과정 제어
- Workspace API: 솔루션, 프로젝트, 문서 등 작업 환경 관리
C# 코드 예시
public class Program
{
public static void Main()
{
Console.WriteLine("Hello, World!");
}
}
4. 중간 언어 (IL, Intermediate Language)
특징
- CPU 아키텍처에 독립적인 저수준 언어
- .dll 또는 .exe 파일 내에 포함됨
- 인간이 읽을 수 있는 형태(ILASM)로도 표현 가능
- CLR(공통 언어 런타임)이 이해하는 언어
- 스택 기반 명령어 집합으로 구성
주요 특성
- 스택 기반 명령어 집합: 주로 스택을 사용하여 연산 수행
- 객체 지향 지원: 클래스, 상속, 가상 메서드 등 지원
- 타입 안전성: 강력한 타입 시스템 유지
- 메타데이터 통합: 코드와 메타데이터가 밀접하게 연결
IL 코드 예시
// 위 C# 코드의 IL 표현 (간략화)
.method public hidebysig static void Main() cil managed {
.entrypoint
ldstr "Hello, World!"
call void [System.Console]System.Console::WriteLine(string)
ret
}
5. DLL과 EXE 파일 (어셈블리)
공통점
- 모두 PE(Portable Executable) 형식의 파일
- 메타데이터(형식 정보)와 IL 코드 포함
- .NET 어셈블리로서 버전 관리, 보안 정보 등 포함
차이점
| 특성 | DLL (동적 연결 라이브러리) | EXE (실행 파일) |
|---|---|---|
| 용도 | 재사용 가능한 라이브러리 | 실행 가능한 애플리케이션 |
| 진입점 | 없음 | Main 메서드 (IL에서 .entrypoint 표시) |
| 내용 | IL 코드와 메타데이터 | IL 코드, 메타데이터 + 추가 실행 정보 |
| 실행 | 직접 실행 불가 | 직접 실행 가능 |
어셈블리 구성요소
- 매니페스트: 어셈블리 ID, 버전, 문화권, 강력한 이름 등의 정보
- 타입 메타데이터: 클래스, 메서드, 프로퍼티 등의 정보
- IL 코드: 실행 가능한 중간 언어 코드
- 리소스: 이미지, 문자열 등 포함 가능
6. CLR(공통 언어 런타임)
역할
- .NET 애플리케이션의 실행 환경 제공
- 메모리 관리, 보안, 예외 처리 등 다양한 서비스 제공
주요 구성요소
- 클래스 로더: 필요한 타입을 메모리에 로드
- JIT 컴파일러: IL을 네이티브 코드로 변환
- 가비지 컬렉터: 자동 메모리 관리
- 보안 시스템: 코드 접근 보안(CAS) 등 제공
- 스레드 관리: 다중 스레드 실행 지원
- 예외 처리기: 예외 발생 및 처리 관리
7. JIT 컴파일러 (Just-In-Time)
역할
- IL 코드를 네이티브 머신 코드로 변환
- 실행 시점에 최적화 수행
작동 과정
- 애플리케이션 실행 시 CLR 로드
- 메서드 첫 호출 시 해당 IL 코드 JIT 컴파일
- 컴파일된 네이티브 코드 캐싱 (재사용)
- 실제 CPU에서 실행
최적화 기법
- 인라인 확장: 작은 메서드를 호출 위치에 직접 삽입
- 가상 메서드 최적화: 런타임 시 실제 타입 기반 최적화
- 루프 최적화: 루프 언롤링, 벡터화 등
- 불필요한 경계 검사 제거: 배열 접근 최적화
- 상수 폴딩: 컴파일 시점에 상수 표현식 계산
- 티어드 컴파일: 처음에는 빠르게 컴파일된 덜 최적화된 코드 실행, 후에 더 최적화된 버전으로 대체
8. 상세 실행 흐름
- C# 소스 코드 작성
- 개발자가
.cs파일에 C# 코드 작성
- 개발자가
- C# 컴파일러(Roslyn) 처리
- 어휘 분석(Lexical Analysis): 소스 코드를 토큰으로 분리
- 구문 분석(Syntax Analysis): 토큰을 구문 트리로 구성
- 의미 분석(Semantic Analysis): 타입 체킹, 타입 추론 등
- IL 코드 생성: 컴파일된 중간 언어(IL) 생성
- 메타데이터 생성: 타입 정보, 어셈블리 참조 등 생성
- 어셈블리 생성
- 컴파일된 IL 코드와 메타데이터가 PE(Portable Executable) 형식의 파일(
.dll또는.exe)로 패키징 - 어셈블리 매니페스트 포함: 버전, 문화권, 강력한 이름 등의 정보
- 컴파일된 IL 코드와 메타데이터가 PE(Portable Executable) 형식의 파일(
- 애플리케이션 실행
.exe파일 실행시 CLR(공통 언어 런타임) 호스트(예:CoreCLR)가 로드됨- CLR은 메타데이터를 읽고 필요한 어셈블리 로드
- JIT 컴파일
- 메서드가 처음 호출될 때 JIT 컴파일러가 해당 메서드의 IL 코드를 네이티브 코드로 변환
- 티어드 컴파일 적용 시 점진적 최적화
- 실행
- 생성된 네이티브 코드가 CPU에서 직접 실행
- 가비지 컬렉션, 예외 처리 등 CLR 서비스가 실행 중 관리
9. 코드 변환 예시
C# 코드
public static int AddNumbers(int a, int b) {
return a + b;
}
변환된 IL 코드
.method public static int32 AddNumbers(int32 a, int32 b) cil managed {
.maxstack 2
ldarg.0 // a를 스택에 로드
ldarg.1 // b를 스택에 로드
add // 스택의 두 값을 더함
ret // 결과 반환
}
x86-64 네이티브 코드 (JIT 컴파일 후)
mov eax, ecx ; 첫 번째 인수(a)를 eax로 이동 add eax, edx ; 두 번째 인수(b)를 더함 ret ; 결과(eax에 저장됨) 반환
10. 추가 정보
AOT(Ahead-of-Time) 컴파일
- JIT 대신 미리 네이티브 코드로 컴파일하는 방식
- 초기 시작 시간 단축 및 메모리 사용량 감소
- 모바일/임베디드 환경에 적합
- 일부 동적 기능 제한 (리플렉션 등)
- .NET 6 이상에서 Native AOT 지원
티어드 컴파일(Tiered Compilation)
- 처음에는 빠른 컴파일 우선으로 덜 최적화된 코드 생성
- 자주 사용되는 메서드는 백그라운드에서 더 많은 최적화 적용
- 시작 시간과 장기 실행 성능 사이의 균형 제공
11. 결론
.NET의 컴파일 및 실행 모델은 플랫폼 독립성과 성능 사이의 균형을 효과적으로 맞추고 있습니다.
C# 소스 코드가 Roslyn 컴파일러를 통해 IL로 변환되고, 이후 JIT 컴파일러에 의해 필요할 때 네이티브 코드로 변환되는 과정은 다양한 플랫폼에서의 실행을 가능하게 하면서도 최적화된 성능을 제공합니다.
최근 버전의 .NET에서는 AOT 컴파일, 티어드 컴파일 등 더 다양한 최적화 기법을 도입하여 성능을 더욱 향상시키고 있으며, 이는 클라우드 네이티브 애플리케이션과 마이크로서비스 아키텍처에서 특히 중요한 역할을 합니다.
