[Programming/C++] 정적 라이브러리 (Static Library)

📦 오브젝트 파일 vs 정적 라이브러리

빌드 시 오브젝트 파일(.o)을 직접 링크하면, 그 파일 안의 함수를 단 하나만 사용하더라도 파일 전체가 실행 파일에 포함된다.

반면, 오브젝트 파일들을 정적 라이브러리(.a, .lib) 로 묶으면 실제로 사용하는 오브젝트 코드만 선택적으로 링크된다.

구분	오브젝트 파일 직접 링크	정적 라이브러리 링크
링크 범위	파일 전체 포함	사용된 코드만 포함
실행 파일 크기	상대적으로 큼	상대적으로 작음
관리 편의성	파일 수가 많아지면 번거로움	단일 .a 파일로 관리
재사용성	낮음	높음 (다른 프로젝트에서도 사용 가능)

오브젝트 파일을 직접 링크하면 사용하지 않는 코드까지 모두 포함되어 실행 파일이 불필요하게 커진다.
공유할 오브젝트 파일이 많다면 반드시 정적 라이브러리로 묶어서 사용하자.

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🔨 오브젝트 파일 생성

소스 파일을 컴파일하여 오브젝트 파일을 생성한다.

오브젝트 파일 생성

오브젝트 파일이 여러 개라면 아래처럼 컴파일 시 직접 나열할 수 있다.

gcc -I<헤더파일 디렉토리 경로> test_code.c encrypt.o checksum.o -o test_code

하지만 공유할 오브젝트 파일이 많아질수록 이 방법은 복잡하고 번거로워진다.
이럴 때 오브젝트 파일들을 하나의 아카이브(Archive) 로 묶으면 한꺼번에 컴파일러에 전달할 수 있다.

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🗂️ 아카이브 (Archive)

아카이브는 여러 오브젝트 파일을 하나의 파일로 묶어 놓은 것이다.
.zip, .tar 와 마찬가지로, .a 파일도 이러한 묶음 파일의 한 형태다.

단 하나의 아카이브 파일로 다른 프로젝트에 코드를 훨씬 쉽게 공유할 수 있다.

nm 명령으로 아카이브 내부를 확인할 수 있다.

nm libmyfunc.a

ar -s 와 ranlib 은 동일한 역할이다.
ranlib libname.a 은 아카이브에 심벌 색인을 추가하는 독립 명령으로, 과거 ar -s 를 지원하지 않던 시스템에서 사용했다.
현재는 ar -rcs 로 통합되었지만, -s 없이 아카이브를 만들면 링크 시 symbol not found 오류가 발생할 수 있다.

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⚙️ ar 명령으로 아카이브 생성

ar 명령(Archive)은 여러 오브젝트 파일을 하나의 아카이브 파일로 저장한다.

ar -rcs libsecurity.a encrypt.o checksum.o

ar 옵션

옵션	설명
-r	아카이브가 이미 존재하면 갱신, 없으면 새로 생성
-c	아카이브 생성 시 화면에 메시지를 출력하지 않음
-s	아카이브 파일 앞에 색인(index) 을 생성 — 링크 속도 향상

⚠️ 아카이브 이름 규칙: lib<이름>.a
이 형식을 따르지 않으면 컴파일러가 아카이브를 찾지 못한다.
예: libsecurity.a, libmyfunc.a
정적 라이브러리는 반드시 lib 으로 이름이 시작되어야 한다.

ar 명령으로 생성된 아카이브 파일

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🔗 아카이브를 사용하여 컴파일

아카이브를 만드는 궁극적인 목적은 다른 프로그램에서 재사용하기 위한 것이다.

표준 디렉토리에 설치한 경우

아카이브를 /usr/lib 같은 표준 디렉토리에 설치했다면 -l 옵션만으로 링크할 수 있다.

gcc test_code.c -lsecurity -o test_code

외부 디렉토리에 있는 경우

아카이브가 표준 디렉토리가 아닌 곳에 있다면 -L 옵션으로 경로를 명시해야 한다.

gcc test_code.c -L/my_lib -lsecurity -o test_code

gcc 링크 옵션 정리

옵션	설명
-I<경로>	헤더 파일 검색 경로 추가
-L<경로>	라이브러리 파일 검색 경로 추가 (표준 경로 외)
-l<이름>	lib<이름>.a 파일을 찾아 링크

-l 옵션은 소스 파일보다 뒤에 위치해야 한다.
링커는 왼쪽에서 오른쪽으로 처리하므로, 소스 파일이 먼저 나열되어야 미해결 심벌을 라이브러리에서 올바르게 찾는다.

-lsecurity 는 컴파일러에게 libsecurity.a 를 찾으라고 알려준다.
따라서 libtest.a 라면 -ltest 로 링크한다.

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📄 사용한 소스 코드

encrypt.h

#ifndef __ENCRYPT_H__
#define __ENCRYPT_H__

void encrypt(char* message);

#endif  // __ENCRYPT_H__

encrypt.c

#include "encrypt.h"

void encrypt(char* message) {
    while (*message) {
        *message = *message ^ 31;   // XOR 31로 암호화/복호화 (같은 함수로 역연산)
        ++message;
    }
}

checksum.h

#ifndef __CHECKSUM_H__
#define __CHECKSUM_H__

int checksum(char* message);

#endif  // __CHECKSUM_H__

checksum.c

#include "checksum.h"

int checksum(char* message) {
    int c = 0;
    while (*message) {
        c += (int)*message;
        ++message;
    }
    return c;
}

encrypt() 는 XOR 연산을 사용하므로 같은 함수를 두 번 호출하면 원문이 복원된다.
checksum() 은 각 문자의 ASCII 값을 단순 합산하여 반환한다.

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🛠️ CMake를 이용한 정적 라이브러리 연동

정적 라이브러리 헤더 파일 디렉토리와 libsecurity.a

CMakeLists.txt에 헤더 파일 디렉토리 및 라이브러리 파일 지정

아래는 libsecurity.a 의 encrypt(), checksum() 함수를 사용하는 예제 코드다.

// main.c
#include <stdio.h>

#include "encrypt.h"
#include "checksum.h"

int main(void) {
    char s[] = "Hello, World!!";

    encrypt(s);
    printf("암호 문장:   %s\n", s);
    printf("체크섬:      %d\n", checksum(s));

    encrypt(s);
    printf("복호화 문장: %s\n", s);
    printf("체크섬:      %d\n", checksum(s));

    return 0;
}

암호 문장:   Wzssp3?Hpms{>>
체크섬:      699838
복호화 문장: Hello, World!!
체크섬:      334257

gcc로 직접 컴파일할 경우:

gcc -I<헤더파일 디렉토리> test_code.c -L<라이브러리 디렉토리> -lsecurity -o test_code

정적 라이브러리는 링크 시 실행 파일 안에 복사된다.
따라서 배포 시 .a 파일을 함께 제공하지 않아도 된다.

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📤 아카이브에서 오브젝트 파일 꺼내기

아카이브 안에 있는 특정 오브젝트 파일을 꺼낼 때는 -x 옵션을 사용한다.

# 특정 오브젝트 파일 추출
ar -x libsecurity.a encrypt.o

# 아카이브 내 파일 목록 확인
ar -t libsecurity.a

옵션	설명
-x	아카이브에서 오브젝트 파일 추출
-t	아카이브에 포함된 파일 목록 출력

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📝 정리

graph LR
    A(["소스 파일<br/>(*.c / *.cpp)"])
    B(["오브젝트 파일<br/>(*.o)"])
    C(["정적 라이브러리<br/>(lib*.a)"])
    D(["실행 파일"])

    A -->|"gcc -c"| B
    B -->|"ar -rcs"| C
    C -->|"gcc -l"| D
    A -.->|"gcc"| D

    classDef src  fill:#3b82f6,stroke:#1d4ed8,color:#fff,stroke-width:2px
    classDef obj  fill:#f59e0b,stroke:#b45309,color:#fff,stroke-width:2px
    classDef lib  fill:#10b981,stroke:#047857,color:#fff,stroke-width:2px
    classDef out  fill:#8b5cf6,stroke:#6d28d9,color:#fff,stroke-width:2px

    class A src
    class B obj
    class C lib
    class D out

단계	명령어	결과물
① 컴파일	gcc -c source.c -o source.o	오브젝트 파일 (.o)
② 아카이브 생성	ar -rcs libname.a *.o	정적 라이브러리 (.a)
③ 링크	gcc main.c -L<경로> -lname -o app	실행 파일
④ 심벌 확인	nm libname.a	심벌 목록 출력
⑤ 파일 목록 확인	ar -t libname.a	아카이브 내 파일 목록
⑥ 파일 추출	ar -x libname.a file.o	오브젝트 파일

nm 출력 예시

nm libsecurity.a

encrypt.o:
0000000000000000 T encrypt

checksum.o:
0000000000000000 T checksum
                 U strlen

심벌 타입	의미
T	코드 섹션에 정의된 함수 (export됨)
U	정의되지 않음 — 외부(libc 등)에서 링크 필요
D	초기화된 전역 데이터
B	초기화되지 않은 전역 데이터 (BSS)

T 심벌이 보이면 해당 함수가 라이브러리에 정상적으로 포함된 것이다.
링크 시 undefined reference to 'xxx' 오류가 발생하면 nm 으로 해당 심벌이 라이브러리에 존재하는지 먼저 확인한다.