고급 언어와 저급 언어

고급 언어와 저급 언어

오늘은 우리가 프로그래밍 할때 사용하는 언어인 C, C++, Java, Python, Javascript 등을 컴퓨터는 어떻게 이해하고 실행하는지에 대해 알아보자.

컴퓨터 프로그래밍 영역에서 “고수준” 및 “저수준” 언어라는 용어는 컴퓨터 하드웨어의 추상화 수준을 설명하는 데 사용된다. 이러한 용어는 언어의 품질이나 성능을 나타내는 것이 아니라 컴퓨터가 직접 실행하는 기계어 코드와 언어가 얼마나 가깝거나 멀리 떨어져 있는지를 나타낸다. 😉

고급 언어 (Python, Java, C#, JavaScript, Ruby)

• 추상화: 고급 언어는 컴퓨터 하드웨어에서 높은 수준의 추상화를 제공한다, 이는 인간의 언어에 더 가깝고 기계어 코드와는 더 멀다는 것을 의미한다. 사람이 쉽게 읽고 쓸 수 있도록 설계되었다. 이러한 언어는 메모리 관리 및 하드웨어 상호 작용과 같은 복잡한 세부 사항을 처리하는 경우가 많다.
• 이식성: 고급 언어로 작성된 코드는 수정이 거의 또는 전혀 없이 다양한 유형의 하드웨어에서 실행될 수 있는 경우가 많다. 이는 일반적으로 대상 하드웨어와 관련된 기계어 코드로 컴파일되거나 해석되기 때문이다.
• 사용 용이성: 이러한 언어는 일반적으로 배우고 사용하기가 더 쉬워서 초보자가 더 쉽게 접근할 수 있고 웹 개발에서 인공 지능에 이르기까지 광범위한 애플리케이션에 적합하다.
• 성능: 고급 언어는 개발자에게 더 효율적이지만 기계 코드로 변환할 때 추가적인 추상화 계층과 오버헤드로 인해 항상 하위 수준 언어와 동일한 수준의 성능을 달성하지 못할 수도 있다.

저급 언어 (어셈블리 언어, 기계 코드)

• 하드웨어에 대한 근접성: 저수준 언어는 기계어에 더 가깝고 하드웨어로부터의 추상화를 덜 제공한다. 이는 인간이 이해하기에는 더 복잡하고 덜 직관적이라는 것을 의미한다.
• 하드웨어 제어: 이러한 언어를 사용하면 하드웨어 및 시스템 리소스를 세밀하게 제어할 수 있으며 이는 임베디드 시스템, 장치 드라이버 또는 고성능 컴퓨팅과 같은 특정 애플리케이션에 중요할 수 있다.
• 성능: 저수준 언어는 프로그래머가 특정 하드웨어에 맞게 코드를 최적화할 수 있도록 해주기 때문에 실행 속도와 메모리 사용량 측면에서 더 효율적일 수 있다. (개발자가 코드를 최적화하지 못하면 오히려 성능상 악영향이 있을 수 있음 ❗️)
• 어려움과 위험: 저수준 언어로 프로그래밍하는 것은 더 복잡하고 오류가 발생하기 쉽다. 컴퓨터 아키텍처에 대한 깊은 이해가 필요하며 일반적으로 시간이 더 많이 걸린다.
• 이식성: 저수준 언어로 작성된 코드는 특정 유형의 프로세서나 아키텍처에만 국한되는 경우가 많아 고급 언어 코드보다 이식성이 떨어진다.

저급 언어는 어셈블리 언어와 기계 코드 두 종류가 있는데, 각각에 대해 좀 더 알아보자! 🧐
참고로 언어의 근본이라 불리는 C언어의 경우 중간 수준 언어로 간주된다고 한다.(고수준 언어와 저수준 언어의 요소를 결합하므로)

기계어 코드

기계어 코드는 프로그래밍 언어의 가장 기본적인 수준으로, 컴퓨터의 중앙 처리 장치(CPU)가 직접 실행할 수 있는 2진수 또는 16진수 명령어로 구성된다.

• 바이너리 형식: 기계어 코드는 1과 0을 사용하여 바이너리 형식으로 표현된다. 이러한 이진수(비트)는 바이트(일반적으로 8비트)로 그룹화되며 각 바이트는 메모리의 명령어, 데이터 또는 주소를 나타낼 수 있다.
• 프로세서별: 기계어 코드는 컴퓨터 프로세서의 아키텍처 및 명령어 세트에 따라 다르다. 이는 한 가지 유형의 CPU(예: Intel x86 프로세서) 용으로 작성된 기계어 코드가 수정 없이는 다른 유형(예: ARM 프로세서)에서 작동하지 않음을 의미한다.
• 직접 실행: 기계어 코드로 컴파일하거나 해석해야 하는 고급 언어와 달리 기계어 코드는 CPU에서 직접 실행할 수 있다. 이러한 직접 실행으로 인해 번역 오버헤드가 없으므로 속도가 매우 빠르다.

어셈블리 언어

• 니모닉 코드: 인간이 읽고 쓰기 어려운 바이너리 코드(기계어 코드)를 작성하는 대신 어셈블리 언어를 사용하면 프로그래머가 니모닉 코드를 사용할 수 있다. 이는 기계 명령어를 짧게 텍스트로 표현한 것으로, 예를 들어 덧셈은 ‘ADD’, 뺄셈은 ‘SUB’, 레지스터 간 데이터 이동은 ‘MOV’ 등이다.

• 기계어 코드와의 일대일 대응: 각 어셈블리 언어 명령어는 일반적으로 단일 기계어 명령어에 해당한다. 이러한 일대일 대응으로 인해 어셈블리 언어는 하드웨어 작업을 밀접하게 반영하므로 “저수준” 언어가 된다.

• 하드웨어 특정: 어셈블리 언어는 특정 컴퓨터 아키텍처에 특정한다. 즉, 한 유형의 프로세서(예: Intel x86)용으로 작성된 어셈블리 코드는 큰 변경 없이는 다른 유형(예: ARM 프로세서)에서 작동하지 않는다.

• 제어 및 효율성: 어셈블리 언어는 기계어에 가깝기 때문에 프로그래머가 고급 언어에서는 불가능한 방식으로 하드웨어를 직접 조작하고, 메모리를 관리하고, 성능을 최적화할 수 있다.

• 어셈블러 & 링커: 어셈블러는 어셈블리 언어를 기계어 코드로 변환하여 객체 파일을 생성하는 도구이다. 그런 다음 링커는 이러한 객체 파일을 가져와 단일 실행 파일이나 라이브러리로 결합하여 프로세스의 모든 모듈 간 참조를 확인한다.

고급 언어로 작성한 코드 역시 CPU가 해당 명령어를 이해할 수 있도록 저급 언어로 변환되어 실행되는데, 어떻게 고급 언어를 저급 언어로 변환하는 것일까? 🧐
컴파일 언어와 인터프리터 언어는 사람이 읽을 수 있는 소스 코드를 컴퓨터가 실행할 수 있는 기계어 코드로 변환하는 두 가지 기본 접근 방식을 나타내는데, 아래에서 이 두 가지 접근방식에 대해 알아보자!

컴파일 언어 (C, C++, Rust, Go)

• 컴파일 프로세스: 프로그래머가 소스 코드를 작성한 후 컴파일이라는 프로세스를 통해 기계어 코드로 변환된다. 이는 일반적으로 프로그램이 실행되기 전에 전체 소스 코드를 실행 파일로 변환하는 프로그램인 컴파일러를 사용하여 수행된다.
• 실행: 소스 코드가 실행 파일로 컴파일되면 컴퓨터 하드웨어에서 직접 실행할 수 있다. 컴파일은 일회성 프로세스이며 결과 실행 파일은 소스 코드를 다시 컴파일할 필요 없이 반복적으로 실행될 수 있다.
• 성능: 일반적으로 컴파일된 언어는 더 빠른 실행 시간을 제공한다. 소스 코드는 기계어 코드로 미리 컴파일되어 있기 때문에 CPU에서 직접 실행할 수 있어 실시간 번역이 필요하지 않다.

인터프리터 언어 (Python, Ruby, JavaScript, PHP)

• 해석 과정: 인터프리터 언어에서는 소스 코드가 미리 기계어 코드로 컴파일되지 않는다. 대신 런타임 시 인터프리터가 한 줄씩 읽고 실행한다.
• 실행: 별도의 컴파일 단계가 없으며, 소스 코드는 인터프리터에 입력되어 즉시 명령을 수행한다. 이는 호환 가능한 인터프리터가 있는 모든 시스템에서 동일한 소스 코드를 실행할 수 있음을 의미한다.
• 성능: 인터프리터 언어는 일반적으로 소스 코드에서 기계어 코드로의 번역이 런타임에 발생하므로 컴파일된 언어에 비해 실행 속도가 느리다. (각 코드 줄이 실행될 때마다 해석되어야 함)

위 2가지 접근 방식을 모두 가지는 언어들이 있는데, 이는 대표적으로 Java가 있다.
Java 소스 코드는 바이트코드로 컴파일된 후 JVM(Java Virtual Machine)에 의해 런타임 시 기계어 코드로 해석된다.
왜 java는 소스코드를 기계어 코드로 바로 해석하지 않고 바이트코드로 해석한 이후 컴파일하는 단계를 두었을까? 🧐

Java가 하이브리드 접근 방식을 쓰는 이유

• “한 번 작성하면 어디서나 실행”: Java는 “한 번 작성하면 어디서나 실행”(WORA - Write once, run anywhere) 원칙으로 설계되었다. Java 소스 코드를 바이트코드(플랫폼 독립적인 중간 형식)로 컴파일하면 JVM(Java Virtual Machine)이 있는 모든 플랫폼에서 동일한 바이트코드가 실행될 수 있다. 이 JVM은 바이트코드를 호스트 플랫폼에 특정한 기계어 코드로 해석하는 역할을 담당한다.
• 교차 플랫폼 호환성: JVM은 바이트코드와 기본 하드웨어 및 운영 체제 사이의 추상화 계층 역할을 한다.
• 이식성: 바이트코드는 수정 없이 다양한 플랫폼(Windows, Linux, macOS 등)에서 쉽게 전송하고 실행할 수 있다.

Java가 소스 코드와 기계 코드 사이의 중간 단계로 바이트코드를 사용하는 것은 성능과 이식성, 보안 및 유지 관리 가능성의 균형을 맞추는 전략적 선택이라고 볼 수 있다. 이 접근 방식을 통해 Java 프로그램은 JVM이 장착된 모든 장치에서 실행될 수 있으므로 Java는 크로스 플랫폼 애플리케이션을 위한 언어라고 한다.