C 런타임 crt0 분석 — Stack·BSS Zero·Data Copy·atexit

#한 줄 요약

“crt0는 OS와 application 사이의 가장 얇은 layer입니다.” Linux 환경의 startup도 본질은 .data 복사와 .bss 클리어, 그리고 __libc_init_array 호출입니다.

#어떤 상황에서 쓰나

• newlib, picolibc의 내부 동작 이해
• printf가 호출하는 system call(_write 등) stub 작성
• Linux 임베디드에서 static linking
• atexit, exit 동작 분석

#핵심 개념

#1) crt0, crti, crtn — 무엇이 차이인가

GCC의 startup은 여러 작은 object 파일로 나뉩니다.

link 시 이 순서로 들어가고, .init 섹션이 자연스럽게 모입니다.

#2) _start — entry point

Linux나 bare-metal newlib의 entry:

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_start:
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    @ stack 초기화 (Linux는 kernel이 해 줌)
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    @ argc, argv, envp 준비 (Linux)
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    @ 또는 .data 복사, .bss 클리어 (bare)
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    @ __libc_init_array → C++ ctors
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    bl  __libc_init_array
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    @ main 호출
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    bl  main
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    @ exit
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    bl  exit

bare-metal에서 _start가 곧 Reset_Handler의 역할을 합니다. newlib는 _start를 link하지만, 보통 startup file에서 같은 역할을 직접 구현해 대체합니다.

#3) .init_array / .fini_array

전역 객체나 __attribute__((constructor)) 함수들이 모이는 section입니다.

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// 자동으로 .init_array에 들어감
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__attribute__((constructor))
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void my_init(void) {
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    printf("called before main\n");
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}
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__attribute__((destructor))
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void my_fini(void) {
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    printf("called at exit\n");
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}

linker는:

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.init_array :
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{
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    PROVIDE_HIDDEN(__init_array_start = .);
4
    KEEP(*(SORT(.init_array.*)))
5
    KEEP(*(.init_array*))
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    PROVIDE_HIDDEN(__init_array_end = .);
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} > FLASH

SORT로 priority 순 정렬. priority 매개변수가 없으면 link 순서대로.

#4) __libc_init_array / __libc_fini_array

newlib가 제공하는 함수입니다. .init_array / .fini_array를 순회합니다.

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void __libc_init_array(void) {
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    /* .init() function (legacy) */
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    /* .init_array */
4
    size_t count = __init_array_end - __init_array_start;
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    for (size_t i = 0; i < count; i++) {
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        __init_array_start[i]();
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    }
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}

exit() 호출 시 __libc_fini_array가 reverse 순으로 destructor를 호출.

#5) System call stub — _write, _sbrk, _close

newlib의 printf 같은 함수는 결국 system call로 출력합니다. bare-metal에는 OS가 없으므로 stub을 직접 제공합니다.

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#include <unistd.h>
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#include <errno.h>
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// stdout 출력 — UART로 redirect
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int _write(int fd, const char *buf, int len) {
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    for (int i = 0; i < len; i++) {
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        uart_putc(buf[i]);
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    }
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    return len;
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}
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// heap 확장 — malloc 호출 시 사용
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extern uint32_t _end;          // .bss 끝 (linker가 제공)
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static uint8_t *heap_end = (uint8_t *)&_end;
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void *_sbrk(int incr) {
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    uint8_t *prev = heap_end;
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    if ((uintptr_t)(heap_end + incr) > 0x20020000) {  // SRAM 한계
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        errno = ENOMEM;
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        return (void *)-1;
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    }
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    heap_end += incr;
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    return prev;
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}
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// 기본 stub들
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int _close(int fd)                  { return -1; }
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int _lseek(int fd, int off, int w)  { return 0; }
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int _read(int fd, char *buf, int n) { return 0; }
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int _fstat(int fd, struct stat *st) { st->st_mode = S_IFCHR; return 0; }
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int _isatty(int fd)                 { return 1; }

--specs=nosys.specs는 모든 stub을 기본 error 반환으로 채워 link만 통과시킵니다. --specs=nano.specs는 newlib-nano 사용.

#코드 / 실제 사용 예

printf가 동작하기까지의 흐름:

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printf("hello\n");
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   ↓
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vfprintf(stdout, "hello\n", ...)   // format 처리
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   ↓
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__sfvwrite                          // buffering
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   ↓
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_write(1, "hello\n", 6)             // 사용자 stub
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   ↓
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uart_putc 반복

main 전후 흐름:

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__attribute__((constructor(101)))
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void early_init(void) { /* 가장 먼저 */ }
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__attribute__((constructor(200)))
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void normal_init(void) { /* 두 번째 */ }
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class Sensor {
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public:
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    Sensor() { initialize(); }
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};
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static Sensor s_sensor;            // priority 없는 ctor
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int main(void) {
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    // 호출 순서:
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    // 1. early_init
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    // 2. normal_init
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    // 3. Sensor::Sensor (s_sensor)
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    // 4. main
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    return 0;
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}

#측정 / 비교

#자주 보는 함정

⚠️ _sbrk가 stack과 충돌

heap이 위로 자라고 stack은 아래로 자랍니다. _sbrk에서 stack pointer를 체크 안 하면 heap이 stack 영역을 침범. linker script에서 heap top을 명시.

⚠️ printf float 지원 없어 %f가 빈 출력

newlib-nano는 기본적으로 float printf가 disabled. -u _printf_float link 옵션 필요.

⚠️ Stub _write가 UART 초기화 전에 호출

C++ static constructor에서 printf를 부르면 UART가 아직 setup 안 됐을 수 있습니다. 순서 의존성 주의.

⚠️ Constructor에서 다른 constructor에 의존

priority 없으면 link 순서. 명확한 순서가 필요하면 __attribute__((constructor(N)))로 priority 지정 (101 ~ 65535, 작은 게 먼저).

⚠️ Bare-metal에서 atexit 사용 후 main 반환

atexit 함수가 너무 많거나 무거우면 main 반환 시 한참 걸립니다. embedded는 보통 main이 반환되지 않게 설계.

#정리

• crt0은 OS와 application 사이의 가장 얇은 layer입니다.
• _start가 entry point이고, bare-metal에서는 Reset_Handler가 같은 역할을 합니다.
• .init_array / .fini_array에 C++ static 생성자와 destructor가 모입니다.
• _write, _sbrk 같은 system call stub을 사용자가 제공해야 printf, malloc이 동작합니다.
• --specs=nano.specs로 크기를 5분의 1로 줄일 수 있습니다.
• Stack/heap 영역 설정과 constructor 순서가 흔한 함정입니다.

다음 편에서는 메모리 레이아웃을 다룹니다. stack/heap/static이 어디 사는지의 전체 그림입니다.

#관련 항목

• 3-04: 링커 스크립트 기초
• 3-06: 스타트업 코드 분석
• 3-08: 메모리 레이아웃
• 더 깊이 — Embedded C++ for Real Systems: static 초기화