C++ 스타트업 코드 분석 — .init_array·전역 생성자 호출 순서

1
// 이 두 객체는 main 전에 생성되어야 함
2
Logger g_logger(LogLevel::Info);
3
Timer  g_timer(1000);
4

5
int main() {
6
    g_logger.log("started");
7
    return 0;
8
}

1
[전원 ON / Reset 핀]
2
    ↓
3
[ROM의 boot ROM 실행 — vendor]
4
    ↓
5
[Reset Vector 읽음]
6
    ↓
7
Reset_Handler  (어셈블리 또는 C)
8
    ↓
9
1. SP 초기화 (stack pointer를 vector table의 첫 값으로)
10
2. .data 섹션 복사 (Flash → RAM)
11
3. .bss 섹션 0으로 초기화
12
4. FPU 활성화 (있다면)
13
5. 시스템 클럭 설정 (선택, 보통 SystemInit())
14
    ↓
15
__libc_init_array()   ← C++ 진입의 핵심
16
    ↓
17
    .preinit_array 순회 호출
18
    _init() 호출 (legacy)
19
    .init_array 순회 호출  ← *C++ static 객체 생성자*
20
    ↓
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main()
22
    ↓
23
(main return)
24
    ↓
25
__libc_fini_array() (보통 안 호출됨, 임베디드는 main 무한루프)
26
    ↓
27
exit() → 무한 루프

1
// vectors.cpp 또는 vectors.c
2
extern "C" void Reset_Handler(void);
3
extern "C" void Default_Handler(void);
4

5
extern uint32_t _estack;   // 링커가 정의 — stack top
6

7
__attribute__((section(".isr_vector")))
8
const void* vectors[] = {
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    &_estack,                     // 0x00: 초기 stack pointer
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    (void*)Reset_Handler,         // 0x04: Reset vector
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    (void*)Default_Handler,       // 0x08: NMI
12
    (void*)Default_Handler,       // 0x0C: HardFault
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    (void*)Default_Handler,       // 0x10: MemManage
14
    (void*)Default_Handler,       // 0x14: BusFault
15
    (void*)Default_Handler,       // 0x18: UsageFault
16
    // ...
17
};

1
extern "C" {
2
    extern uint32_t _sidata;    // .data의 LMA (Flash 위치)
3
    extern uint32_t _sdata;     // .data의 VMA 시작 (RAM)
4
    extern uint32_t _edata;     // .data의 VMA 끝 (RAM)
5
    extern uint32_t _sbss;      // .bss 시작 (RAM)
6
    extern uint32_t _ebss;      // .bss 끝 (RAM)
7
}
8

9
extern "C" void Reset_Handler(void) {
10
    // 1. .data 복사: Flash에서 RAM으로
11
    uint32_t* src = &_sidata;
12
    uint32_t* dst = &_sdata;
13
    while (dst < &_edata) {
14
        *dst++ = *src++;
15
    }
16

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    // 2. .bss 0으로 초기화
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    dst = &_sbss;
19
    while (dst < &_ebss) {
20
        *dst++ = 0;
21
    }
22

23
    // 3. 시스템 클럭 (벤더 함수)
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    SystemInit();
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    // 4. C++ 런타임 + static 객체 초기화
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    __libc_init_array();
28

29
    // 5. main 호출
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    int rc = main();
31

32
    // 6. main return 시
33
    __libc_fini_array();
34
    while (1);   // 또는 exit(rc)
35
}

1
// 개념적 구현 (newlib 내부)
2
void __libc_init_array(void) {
3
    size_t count;
4
    size_t i;
5

6
    // 1. .preinit_array — 가장 먼저
7
    count = __preinit_array_end - __preinit_array_start;
8
    for (i = 0; i < count; i++)
9
        __preinit_array_start[i]();
10

11
    // 2. _init — legacy GNU init
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    _init();
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    // 3. .init_array — C++ static 생성자가 들어 있음
15
    count = __init_array_end - __init_array_start;
16
    for (i = 0; i < count; i++)
17
        __init_array_start[i]();
18
}

1
/* 링커 스크립트 (예: STM32F4) */
2
.init_array : {
3
    PROVIDE_HIDDEN(__init_array_start = .);
4
    KEEP(*(SORT(.init_array.*)))
5
    KEEP(*(.init_array))
6
    PROVIDE_HIDDEN(__init_array_end = .);
7
} >FLASH

1
// 컴파일러가 만드는 hidden 코드 (개념)
2
void __static_initialization_0() {
3
    g_logger.Logger::Logger();   // 생성자 호출
4
}
5

6
// .init_array 섹션에 함수 포인터 등록
7
__attribute__((section(".init_array")))
8
void (*__init_0)(void) = __static_initialization_0;

1
// 해결 — Construct-On-First-Use
2
Logger& get_logger() {
3
    static Logger instance;   // C++11+ thread-safe init
4
    return instance;
5
}
6

7
// 다른 곳에서
8
Timer g_timer(get_logger());   // 호출 시점에 instance 생성 보장

1
// 위험!
2
class GPIO {
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public:
4
    GPIO() {
5
        // peripheral 클럭 활성화 — Reset_Handler에서 안 했다면 실패
6
        RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
7
        // ...
8
    }
9
};
10

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GPIO g_led_pin;   // SystemInit 후, main 전에 호출

1
// 안전
2
class GPIO {
3
public:
4
    void init() {
5
        RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
6
        // ...
7
    }
8
};
9

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GPIO g_led;
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int main() {
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    SystemClock_Config();
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    g_led.init();   // 명시적, 순서 통제
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    // ...
16
}

1
class Counter {
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public:
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    constexpr Counter() : count(0) {}
4
    void increment() { ++count; }
5
private:
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    int count;
7
};
8

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static_assert(std::is_trivially_default_constructible_v<Counter>);
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Counter g_counter;   // .bss 0 초기화로 완성 (생성자 호출 불필요)

1
/* 보통 — Flash에 배치 (RAM 절약) */
2
.init_array : {
3
    KEEP(*(SORT(.init_array.*)))
4
    KEEP(*(.init_array))
5
} >FLASH

1
CXXFLAGS += -fno-use-cxa-atexit