WebAssembly 예외 처리: 스택 풀기(Stack Unwinding) 심층 분석

WebAssembly(Wasm)는 고성능의 이식 가능한 컴파일 대상을 제공하여 웹에 혁명을 일으켰습니다. 처음에는 수치 계산에 중점을 두었지만, Wasm은 점점 더 복잡한 애플리케이션에 사용되고 있으며 강력한 오류 처리 메커니즘이 필요해졌습니다. 바로 이 지점에서 예외 처리가 등장합니다. 이 글에서는 WebAssembly의 예외 처리를 깊이 파고들며, 특히 중요한 프로세스인 스택 풀기에 초점을 맞춥니다. 구현 세부 사항, 성능 고려 사항, 그리고 이것이 Wasm 개발에 미치는 전반적인 영향에 대해 살펴보겠습니다.

예외 처리란 무엇인가?

예외 처리는 프로그램 실행 중에 발생하는 오류나 예외적인 조건을 처리하기 위해 고안된 프로그래밍 언어 구조입니다. 프로그램이 충돌하거나 정의되지 않은 동작을 보이는 대신, 예외를 "던지고(throw)" 지정된 핸들러에 의해 "잡히도록(catch)" 할 수 있습니다. 이를 통해 프로그램은 오류로부터 정상적으로 복구하거나, 진단 정보를 기록하거나, 실행을 계속하거나 정상적으로 종료하기 전에 정리 작업을 수행할 수 있습니다.

파일에 접근하려는 상황을 생각해보십시오. 파일이 존재하지 않거나 읽을 수 있는 필요한 권한이 없을 수 있습니다. 예외 처리가 없다면 프로그램이 충돌할 수 있습니다. 예외 처리를 사용하면 파일 접근 코드를 try 블록으로 감싸고 catch 블록을 제공하여 잠재적인 예외(예: FileNotFoundException, SecurityException)를 처리할 수 있습니다. 이를 통해 사용자에게 유용한 오류 메시지를 표시하거나 오류로부터 복구를 시도할 수 있습니다.

WebAssembly에서 예외 처리가 필요한 이유

WebAssembly가 작은 모듈을 위한 샌드박스 실행 환경에서 대규모 애플리케이션을 위한 플랫폼으로 발전함에 따라, 적절한 예외 처리의 필요성이 점점 더 중요해지고 있습니다. 예외가 없으면 오류 처리가 번거롭고 오류가 발생하기 쉽습니다. 개발자들은 오류 코드를 반환하거나 다른 임시적인 메커니즘에 의존해야 하는데, 이는 코드를 읽고, 유지보수하고, 디버깅하기 어렵게 만들 수 있습니다.

C++와 같은 언어로 작성되어 WebAssembly로 컴파일된 복잡한 애플리케이션을 생각해보십시오. C++ 코드는 오류 처리를 위해 예외에 크게 의존할 수 있습니다. WebAssembly에 적절한 예외 처리 기능이 없다면, 컴파일된 코드는 제대로 작동하지 않거나 예외 처리 메커니즘을 대체하기 위해 상당한 수정이 필요할 것입니다. 이는 기존 코드베이스를 WebAssembly 생태계로 이식하는 프로젝트에 특히 관련이 있습니다.

WebAssembly의 예외 처리 제안

WebAssembly 커뮤니티는 표준화된 예외 처리 제안(종종 WasmEH라고 함)에 대해 작업해 왔습니다. 이 제안은 WebAssembly에서 예외를 처리하는 이식 가능하고 효율적인 방법을 제공하는 것을 목표로 합니다. 이 제안은 예외를 던지고 잡기 위한 새로운 명령어와 이 글의 초점인 스택 풀기 메커니즘을 정의합니다.

WebAssembly 예외 처리 제안의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다:

• try/catch 블록: 다른 언어의 예외 처리와 유사하게, WebAssembly는 예외를 던질 수 있는 코드를 감싸고 해당 예외를 처리하기 위한 try 및 catch 블록을 제공합니다.
• 예외 객체: WebAssembly 예외는 데이터를 전달할 수 있는 객체로 표현됩니다. 이를 통해 예외 핸들러는 발생한 오류에 대한 정보에 접근할 수 있습니다.
• throw 명령어: 이 명령어는 예외를 발생시키는 데 사용됩니다.
• rethrow 명령어: 예외 핸들러가 예외를 더 높은 수준으로 전파할 수 있도록 합니다.
• 스택 풀기: 예외가 발생한 후 호출 스택을 정리하는 과정으로, 적절한 리소스 관리와 프로그램 안정성을 보장하는 데 필수적입니다.

스택 풀기: 예외 처리의 핵심

스택 풀기는 예외 처리 과정의 중요한 부분입니다. 예외가 발생하면 WebAssembly 런타임은 적절한 예외 핸들러를 찾기 위해 호출 스택을 "풀어야(unwind)" 합니다. 이 과정은 다음 단계를 포함합니다:

1. 예외 발생: throw 명령어가 실행되어 예외가 발생했음을 알립니다.
2. 핸들러 검색: 런타임은 예외를 처리할 수 있는 catch 블록을 찾기 위해 호출 스택을 검색합니다. 이 검색은 현재 함수에서 호출 스택의 루트 방향으로 진행됩니다.
3. 스택 풀기: 런타임이 호출 스택을 따라 이동하면서 각 함수의 스택 프레임을 "풀어야" 합니다. 이는 다음을 포함합니다:
   • 이전 스택 포인터를 복원합니다.
   • 풀리는 함수와 관련된 모든 finally 블록(또는 명시적인 finally 블록이 없는 언어의 동등한 정리 코드)을 실행합니다. 이는 리소스가 적절하게 해제되고 프로그램이 일관된 상태를 유지하도록 보장합니다.
   • 호출 스택에서 스택 프레임을 제거합니다.
4. 핸들러 발견: 적합한 예외 핸들러가 발견되면 런타임은 제어를 해당 핸들러로 이전합니다. 핸들러는 예외에 대한 정보에 접근하여 적절한 조치를 취할 수 있습니다.
5. 핸들러 미발견: 호출 스택에서 적합한 예외 핸들러를 찾지 못하면 예외는 잡히지 않은 것으로 간주됩니다. 이 경우 WebAssembly 런타임은 일반적으로 프로그램을 종료합니다(임베더가 이 동작을 사용자 정의할 수는 있습니다).

예시: 다음과 같은 단순화된 호출 스택을 고려해보십시오:

함수 A가 함수 B를 호출
함수 B가 함수 C를 호출
함수 C에서 예외 발생

함수 C에서 예외가 발생하고 함수 B에 예외를 처리할 수 있는 try/catch 블록이 있는 경우, 스택 풀기 프로세스는 다음과 같이 진행됩니다:

1. 함수 C의 스택 프레임을 풉니다.
2. 제어를 함수 B의 catch 블록으로 이전합니다.

만약 함수 B에 catch 블록이 없다면, 풀기 프로세스는 함수 A까지 계속됩니다.

WebAssembly에서의 스택 풀기 구현

WebAssembly에서 스택 풀기 구현은 여러 주요 구성 요소를 포함합니다:

• 호출 스택 표현: WebAssembly 런타임은 스택 프레임을 효율적으로 순회할 수 있도록 호출 스택의 표현을 유지해야 합니다. 이는 일반적으로 실행 중인 함수, 지역 변수 및 반환 주소에 대한 정보를 저장하는 것을 포함합니다.
• 프레임 포인터: 프레임 포인터(또는 유사한 메커니즘)는 호출 스택에서 각 함수의 스택 프레임을 찾는 데 사용됩니다. 이를 통해 런타임은 함수의 지역 변수 및 기타 관련 정보에 쉽게 접근할 수 있습니다.
• 예외 처리 테이블: 이 테이블들은 각 함수와 관련된 예외 핸들러에 대한 정보를 저장합니다. 런타임은 이 테이블을 사용하여 특정 함수가 주어진 예외를 처리할 수 있는 핸들러를 가지고 있는지 신속하게 결정합니다.
• 정리 코드: 런타임은 스택을 풀면서 정리 코드(예: finally 블록)를 실행해야 합니다. 이는 리소스가 적절하게 해제되고 프로그램이 일관된 상태를 유지하도록 보장합니다.

WebAssembly에서 스택 풀기를 구현하는 데는 여러 가지 접근 방식이 사용될 수 있으며, 각각 성능과 복잡성 측면에서 장단점이 있습니다. 몇 가지 일반적인 접근 방식은 다음과 같습니다:

• 제로 비용 예외 처리 (ZCEH): 이 접근 방식은 예외가 발생하지 않을 때 예외 처리의 오버헤드를 최소화하는 것을 목표로 합니다. ZCEH는 일반적으로 정적 분석을 사용하여 어떤 함수가 예외를 던질 수 있는지 파악한 다음 해당 함수에 대한 특수 코드를 생성하는 방식을 포함합니다. 예외를 던지지 않는 것으로 알려진 함수는 예외 처리 오버헤드 없이 실행될 수 있습니다. LLVM은 종종 이 방식의 변형을 사용합니다.
• 테이블 기반 풀기: 이 접근 방식은 테이블을 사용하여 스택 프레임과 예외 핸들러에 대한 정보를 저장합니다. 런타임은 예외가 발생했을 때 이 테이블을 사용하여 신속하게 스택을 풀 수 있습니다.
• DWARF 기반 풀기: DWARF(Debugging With Attributed Record Formats)는 스택 프레임에 대한 정보를 포함하는 표준 디버깅 형식입니다. 런타임은 예외가 발생했을 때 DWARF 정보를 사용하여 스택을 풀 수 있습니다.

WebAssembly에서 스택 풀기의 구체적인 구현은 WebAssembly 런타임과 WebAssembly 코드를 생성하는 데 사용된 컴파일러에 따라 달라집니다.

스택 풀기의 성능 영향

스택 풀기는 WebAssembly 애플리케이션의 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 스택을 푸는 오버헤드는 상당할 수 있으며, 특히 호출 스택이 깊거나 풀어야 할 함수가 많은 경우 더욱 그렇습니다. 따라서 WebAssembly 애플리케이션을 설계할 때 예외 처리의 성능 영향을 신중하게 고려하는 것이 중요합니다.

여러 요인이 스택 풀기의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다:

• 호출 스택의 깊이: 호출 스택이 깊을수록 풀어야 할 함수가 많아져 오버헤드가 증가합니다.
• 예외 발생 빈도: 예외가 자주 발생하면 스택 풀기의 오버헤드가 커질 수 있습니다.
• 정리 코드의 복잡성: 정리 코드(예: finally 블록)가 복잡하면 정리 코드를 실행하는 오버헤드가 상당할 수 있습니다.
• 스택 풀기 구현 방식: 스택 풀기의 구체적인 구현 방식은 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 제로 비용 예외 처리 기술은 예외가 발생하지 않을 때 오버헤드를 최소화할 수 있지만, 예외가 발생할 때는 더 높은 오버헤드를 유발할 수 있습니다.

스택 풀기의 성능 영향을 최소화하려면 다음 전략을 고려하십시오:

• 예외 사용 최소화: 예외는 정말로 예외적인 상황에만 사용하십시오. 일반적인 제어 흐름에 예외를 사용하는 것을 피하십시오. Rust와 같은 언어는 명시적인 오류 처리(예: Result 타입)를 선호하여 예외를 완전히 피합니다.
• 호출 스택을 얕게 유지: 가능하면 깊은 호출 스택을 피하십시오. 호출 스택의 깊이를 줄이기 위해 코드를 리팩토링하는 것을 고려하십시오.
• 정리 코드 최적화: 정리 코드가 가능한 한 효율적인지 확인하십시오. finally 블록에서 불필요한 작업을 수행하지 마십시오.
• 효율적인 스택 풀기 구현을 갖춘 WebAssembly 런타임 사용: 제로 비용 예외 처리와 같이 효율적인 스택 풀기 구현을 사용하는 WebAssembly 런타임을 선택하십시오.

예시: 많은 수의 계산을 수행하는 WebAssembly 애플리케이션을 생각해보십시오. 만약 애플리케이션이 계산 오류를 처리하기 위해 예외를 사용한다면, 스택 풀기의 오버헤드가 커질 수 있습니다. 이를 완화하기 위해 애플리케이션을 예외 대신 오류 코드를 사용하도록 수정할 수 있습니다. 이렇게 하면 스택 풀기의 오버헤드는 제거되지만, 각 계산 후에 명시적으로 오류를 확인해야 합니다.

예제 코드 조각 (개념적 - WASM 어셈블리)

블로그 게시물 형식 때문에 여기에서 직접 실행 가능한 WASM 코드를 제공할 수는 없지만, 예외 처리가 WASM 어셈블리(WAT - WebAssembly 텍스트 형식)에서 개념적으로 어떻게 보일 수 있는지 보여드리겠습니다:

;; 예외 유형 정의
(type $exn_type (exception (result i32)))

;; 예외를 던질 수 있는 함수
(func $might_fail (result i32)
  (try $try_block
    i32.const 10
    i32.const 0
    i32.div_s  ;; 0으로 나누면 예외가 발생합니다

    ;; 예외가 없으면 결과를 반환
    (return)

    (catch $exn_type
      ;; 예외 처리: -1 반환
      i32.const -1
      (return))
  )
)

;; 실패할 가능성이 있는 함수를 호출하는 함수
(func $caller (result i32)
  (call $might_fail)
)

;; caller 함수를 내보내기
(export "caller" (func $caller))

;; 예외 정의
(global $my_exception (mut i32) (i32.const 0))

;; 예외 던지기 (의사 코드, 실제 명령어는 다를 수 있음)
;; throw $my_exception

설명:

• (type $exn_type (exception (result i32))): 예외 유형을 정의합니다.
• (try ... catch ...): try-catch 블록을 정의합니다.
• $might_fail 내부의 i32.div_s는 0으로 나누기 오류(및 예외)를 유발할 수 있습니다.
• catch 블록은 $exn_type 유형의 예외를 처리합니다.

참고: 이것은 단순화된 개념적 예제입니다. 실제 WebAssembly 예외 처리 명령어와 구문은 WebAssembly 사양의 특정 버전과 사용되는 도구에 따라 약간 다를 수 있습니다. 가장 최신 정보는 공식 WebAssembly 문서를 참조하십시오.

예외가 있는 WebAssembly 디버깅

예외를 사용하는 WebAssembly 코드를 디버깅하는 것은 어려울 수 있으며, 특히 WebAssembly 런타임과 예외 처리 메커니즘에 익숙하지 않은 경우 더욱 그렇습니다. 그러나 예외가 있는 WebAssembly 코드를 효과적으로 디버깅하는 데 도움이 되는 여러 도구와 기술이 있습니다:

• 브라우저 개발자 도구: 최신 웹 브라우저는 WebAssembly 코드를 디버깅하는 데 사용할 수 있는 강력한 개발자 도구를 제공합니다. 이러한 도구는 일반적으로 중단점 설정, 코드 단계별 실행, 변수 검사, 호출 스택 보기를 허용합니다. 예외가 발생하면 개발자 도구는 예외 유형 및 예외 발생 위치와 같은 예외에 대한 정보를 제공할 수 있습니다.
• WebAssembly 디버거: WebAssembly Binary Toolkit(WABT) 및 Binaryen 툴킷과 같은 여러 전용 WebAssembly 디버거를 사용할 수 있습니다. 이러한 디버거는 WebAssembly 모듈의 내부 상태 검사 및 특정 명령어에 중단점 설정과 같은 더 고급 디버깅 기능을 제공합니다.
• 로깅: 로깅은 예외가 있는 WebAssembly 코드를 디버깅하는 데 유용한 도구가 될 수 있습니다. 코드에 로깅 문을 추가하여 실행 흐름을 추적하고 발생하는 예외에 대한 정보를 기록할 수 있습니다. 이는 예외의 근본 원인을 식별하고 예외가 어떻게 처리되는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 소스 맵: 소스 맵을 사용하면 WebAssembly 코드를 원본 소스 코드로 다시 매핑할 수 있습니다. 이는 특히 코드가 고수준 언어에서 컴파일된 경우 WebAssembly 코드를 훨씬 쉽게 디버깅할 수 있게 해줍니다. 예외가 발생하면 소스 맵은 원본 소스 파일에서 해당 코드 줄을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.

WebAssembly 예외 처리의 향후 방향

WebAssembly 예외 처리 제안은 아직 발전 중이며, 추가적인 개선이 모색되고 있는 여러 영역이 있습니다:

• 예외 유형 표준화: 현재 WebAssembly는 사용자 정의 예외 유형을 정의할 수 있도록 허용합니다. 공통 예외 유형 집합을 표준화하면 다른 WebAssembly 모듈 간의 상호 운용성을 향상시킬 수 있습니다.
• 가비지 컬렉션과의 통합: WebAssembly가 가비지 컬렉션을 지원하게 됨에 따라 예외 처리를 가비지 컬렉터와 통합하는 것이 중요해질 것입니다. 이는 예외가 발생했을 때 리소스가 적절하게 해제되도록 보장할 것입니다.
• 개선된 도구: WebAssembly 디버깅 도구의 지속적인 개선은 예외가 있는 WebAssembly 코드를 더 쉽게 디버깅하는 데 중요할 것입니다.
• 성능 최적화: WebAssembly에서 스택 풀기 및 예외 처리의 성능을 최적화하기 위해 추가적인 연구 및 개발이 필요합니다.

결론

WebAssembly 예외 처리는 복잡하고 견고한 WebAssembly 애플리케이션 개발을 가능하게 하는 중요한 기능입니다. 스택 풀기를 이해하는 것은 WebAssembly에서 예외가 어떻게 처리되는지 이해하고 예외를 사용하는 WebAssembly 애플리케이션의 성능을 최적화하는 데 필수적입니다. WebAssembly 생태계가 계속 발전함에 따라 예외 처리 메커니즘이 더욱 개선되어 WebAssembly가 광범위한 애플리케이션을 위한 더욱 매력적인 플랫폼이 될 것으로 기대할 수 있습니다.

예외 처리의 성능 영향을 신중하게 고려하고 적절한 디버깅 도구와 기술을 사용함으로써 개발자는 WebAssembly 예외 처리를 효과적으로 활용하여 신뢰할 수 있고 유지보수 가능한 WebAssembly 애플리케이션을 구축할 수 있습니다.