Compiler, Interpreter and JIT/AOT

1. Role of the Compiler 👩‍💻

1. Low-level/High-level Language

우리는 영어라는 언어로 코드를 작성하지만 컴퓨터는 0과 1밖에 인식하지 못 한다. 따라서 사람이 읽고 쓰기 쉽게 작성된 형태의 언어를 High-level Language라 부르며, 컴퓨터가 이해하기 쉬운 수준의 언어를 Low-level Language라 부른다.

• High-level Language: C, C++, JavaScript, Swift, Python, Haskell 과 같은 인간 친화적 언어를 의미한다.
• Low-level Language: Machine Language, Assembly Language 와 같은 컴퓨터 친화적인 언어를 의미한다.

Low-level Language 는 읽기 어려울 뿐 아니라 하드웨어를 직접 조작하기 때문에 하드웨어에 종속적이다. 따라서 Low-level Language 로 직접 개발하는 것은 생산성도 낮을 분 아니라 유지보수하기도 어렵다. 따라서 High-level Language 로 개발하고 이를 Low-level Language 로 변환하는 작업을 거치는데 이 작업을 Compiler가 한다.

2. Machine Language

컴퓨터가 이해할 수 있는 가장 낮은 레벨의 언어다. 기계어는 0과 1로 이루어진 이진수로 표현되며, 이를 CPU 에 직접 전달한다. 따라서 CPU 와 직접 상호작용 하기 때문에 가장 빠른 속도를 갖는다.

3. Assembly Language

어셈블리어는 기계어를 읽기 쉽게 변환한 언어다. CPU 에 명령을 전달하기 위해 사용되며, 기계어와 1:1 대응된다. 단, 읽기 쉽게 변환했다는 의미는 그저 0101 이런식의 이진수를 ABCD 를 이용한 코드로 매핑해놓은 것에 불과할 뿐이다. 따라서 CPU 가 변경됨에 따라 어셈블리어도 변경되며, 일반적으로 개발할 때 사용하는 High-level Language 와는 확연히 다른 언어이다.

4. Bytecode

Java 나 .NET 과 같은 Virtual Machine 을 사용하는 언어에서 사용되는 중간 언어다. 완전히 High-level Language 도 아니고, 그렇다고 컴퓨터가 이해할 수 있는 수준의 Low-level Language 도 아니다. 왜 사용하는걸까?

배포한 코드가 플랫폼에 종속되지 않는 방법은 두 가지다. JIT Compile 을 하거나 Interpreter 를 이용해 코드를 읽어 내려가며 실행하는 것이다. Interpreter 는 느리기 때문에 적당히 속도를 확보하면서도, 플랫폼에 종속되지 않게 하기 위해 Java 는 JVM(Java Virtual Machine) 에서 작동이 가능한 Bytecode 로 compile 하고, .NET 은 CLR(Common Language Runtime) 역시 Bytecode 와 유사한 형태의 CIL(Common Intermediate Language) 라는 중간 언어로 변환한다.

이후 배포된 플랫폼에서 Virtual Machine 이 해당 플랫폼에 맞게 JIT Compile 을 하며 작동한다.

굳이 두 번의 compile 을 하는 이유는 High-level Language 를 바로 JIT Compile 하는 것보다 Machine Language 로 바꾸기 좋게 최적화 작업을 미리 해두어 필요할 때 JIT Compile 을 더 빠르게 하기 위함이다. 하지만 여전히 Machine Language 보다는 느리며, Virtual Machine 이 메모리 및 CPU 자원을 상당 부분 점유하는 오버헤드가 존재하는 것은 단점이다.

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2. Script Language

현대 언어 중 많은 언어가 Script Language 에 해당한다. 이유는 설계하고 실행하기 쉽기 때문이다. JavaScript 는 물론이고 Python, SQL, PHP 와 같은 많은 언어가 Script Language 에 해당한다. High-level Language 중에서도 Script Language 는 기존의 C, C++ 과 같은 언어들과는 다른 특성을 갖는다.

Script Language 를 실행하는 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. Interpreter 를 사용하는 것과 Compiler 를 사용하는 것이다.

1. Interpreter

코드를 읽어 내려가며 실시간으로 Machine Language 로 번역해 실행한다. 따라서 Compiler 를 사용하는 언어와 다르게 속도가 매우 느리다. 대신 Interpreter 언어가 갖는 장점은 수정이 쉽다는 것이다. Compile Language 는 조금만 수정해도 전체 프로그램을 다시 compile 해야한다. 하지만 이런 과정이 없는 Interpreter Language 는 실행 시점에 읽으면서 실행하기 때문에 즉시 반영이 된다.

2. JIT Compile

Interpreter 가 너무 느리기 때문에 나온 대안이다. Script Language 의 장점을 살리되, 성능을 개선하기 위해 실행 시점에 필요한 부분만 빠르게 compile 한다. 이것은 JavaScript 와 같은 High-level Language 를 바로 JIT Compile 하는 경우도 있지만, Java 와 같이 JIT Compile 을 더 빠르게 하기 위해 Intermediate Language 로 변환 후 JIT Compile 하는 경우도 있다. 또한 가장 많이 사용되는 compiler 인 LLVM 역시 JIT Compile 을 하도록 만들 수 있다(LLVM 은 AOT Compile 역시 지원한다).

3. AOT Compile

JIT Compile 역시 Intermediate Language 를 실행 시점에 compile 하는 것에는 변함 없기 때문에 오버헤드가 존재한다. 따라서 여기서 발생되는 속도를 개선하고자 나온 방법이 AOT Compile 이다.

JavaScript 중에서는 Angular 를 이용할 경우 AOT Compile 이 가능하다. 또한 JIT Compile 을 사용하는 React Native 대비 AOT Compile 을 하는 Flutter 가 성능성 더 유리한 점을 갖는다. 다만 JavaScript 라는 언어에 한정해보면 Angular 가 AOT Compile 을 사용함에도 불구하고 JIT Compile 을 사용하는 React 나 Vue.js 대시 성능상 이점이 없다. 또한 React Native 가 Flutter 대비 느린 것은 Flutter 가 갖는 Skia Ui Engine이 Browser 의 DOM을 조작보다 월등한 성능을 보여주기 때문이다.

반면, AOT Compile 은 LLVM 나 JVM, CLR을 사용하는 경우 JIT Compile 대비 나은 성능을 보장한다. 대신 Machine Language 까지 미리 번역을 해놓기 때문에 다시 플랫폼에 종속적이게 되고, 이는 다른 플랫폼에 배포할 경우 Compile 을 새롭게 해야한다는 단점을 갖는다.

Transpile 과 Compile 은 반드시 구분해야한다. TypeScript 또는 SCSS 는 이것을 JavaScript 또는 CSS 로 바꿔주는 것은 Transpiler 에 해당한다. TypeScript 의 tsc가 TypeScript compiler 의 약어여서 compiler 로 이해하는 경우를 종종 볼 수 있는데, 이것은 엄밀히 말하면 High-level Language 를 다른 High-level Language 로 바꿔주는 transpiler 다. Babel 이 ESNext 코드를 ES5 코드로 바꿔주는 것과 마찬가지다.

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3. LLVM

1. LLVM Compiler

Apple 에서 개발하고 현재는 LLVM Group 으로써 Apache 2.0 License 로 운영중인 무료 Compiler 다. LLVM(Low-Level Virtual Machine)의 약자로 JVM 이나 CLR 처럼 Virtual Machine 일 것 같지만 정확히는 Virtual Machine 은 아니지만 이와 유사하게 작동할 수 있어 Virtual Machine 없이도 여러 플랫폼을 지원한다.

LLVM Compiler 는 Frontend, Middle-end, Backend라는 3단계의 compile 단계로 구성된다. 이 중 LLVM Core가 Middle-end/Backend 를 담당하며, 각 언어별로 Frontend를 갖는다. 따라서 Virtual Machine 없이도 여러 언어와 여러 플랫폼을 지원할 뿐 아니라 JIT Compile, AOT Compile 모두를 지원할 수 있는 것이 특징이다.

LLVM 의 Frontend 는 C, C++, Objective-C 를 compile 하는 Clang, Swift 를 compile 하는 Swift-Clang, Fortran 을 compile 하는 Flang, Kotlin 을 JVM 없이 작동하기 위해 LLVM 을 compiler 로 사용하는 Kotlin/Native 등이 존재한다.

이 외에도 Python, Ruby, Scala, Haskell, Go, Rust, Mojo 와 같은 언어들 역시 LLVM Middle-end/Backend 를 compiler 로 사용할 수 있다.

2. LLDB Debugger

LLVM 의 Frontend 에 대응하는 Debugger 다. Xcode 로 디버깅 할 때 콘솔 창에 직접 디버깅 하며 사용하는 바로 그 녀석이다.
GCC 의 GDB 에 대응하는 것이 LLDB 이며, 현재는 유닉스계나 리눅스 시스템에서만 사용 가능하다. 윈도우에서는 WSL 을 사용해 리눅스 환경에서 사용할 수 있다.

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Reference

1. “컴파일러.” Wikipedia. Feb. 24, 2023, Wikipedia - 컴파일러.
2. “JIT 컴파일.” Wikipedia. Mar. 14, 2023, Wikipedia - JIT 컴파일.
3. “AOT 컴파일.” Wikipedia. Feb. 27, 2022, Wikipedia - AOT 컴파일.
4. “LLVM.” Wikipedia. Dec. 13, 2022, Wikipedia - LLVM.
5. “LLVM.” 나무위키. May. 21, 2023, 나무위키 - LLVM.