두둥

제목: C API를 위한 고성능 예외-에러코드(errcode) 매핑 전략 (feat. Zero Allocation)

안녕하세요. 현재 Ada 언어로 고성능 비동기 I/O 라이브러리 Clair를 개발하고 있습니다.

오늘은 Ada로 작성된 라이브러리를 C 언어 API로 제공(Export)할 때 가장 골치 아픈 문제인 예외(Exception) 처리와 에러 코드 변환을 어떻게 효율적으로 설계했는지 공유하고자 합니다.

1. 문제 상황: 언어의 장벽

Ada는 예외(Exception)를 통해 에러를 전파하지만, C는 전통적으로 정수형 에러 코드(int errcode)를 반환합니다. 따라서 C API를 제공하려면 모든 Export 함수마다 예외를 잡아서 변환해야 합니다.

❌ 나쁜 예 (유지보수 지옥)

function c_api_do_something return Interfaces.C.int is
begin
   Internal_Package.Do_Something;
   return 0; -- 성공
exception
   -- [문제점] 모든 함수마다 이 짓을 반복해야 함...
   when Internal_Package.Not_Found => return 2; -- ENOENT
   when Internal_Package.Permission_Denied => return 13; -- EACCES
   -- ... 예외(에러)가 50개라면? when(if)문 50줄 ...
   when others => return -1;
end c_api_do_something;

이 방식은 코드가 지저분해지고, 새로운 에러가 추가될 때마다 모든 API 함수를 수정해야 하는 악몽을 선사합니다.

2. 해결 전략: 매핑 로직의 중앙화

우선 각 API 함수의 본문은 깔끔하게 유지하고, 변환 로직을 중앙 핸들러(map_to_c_errcode)로 위임합니다.

✅ 개선된 API 구조

function c_api_do_something return Interfaces.C.int is
begin
   -- 본문은 비즈니스 로직에만 집중!
   Internal_Package.Do_Something;
   return 0; 
exception
   -- 모든 API가 이 한 줄로 통일됨
   when E : others => return Clair.Error.map_to_c_errcode(e); 
end c_api_do_something;

3. 최적화: Map vs Sorted Array

이제 핵심은 map_to_c_errcode를 어떻게 구현하느냐입니다. 수십~수백 개의 에러를 매핑해야 하는데, 성능과 메모리를 모두 잡아야 합니다.

? 시도 1: 해시 맵 (Hashed Map)

가장 먼저 떠오르는 방법입니다.

• 장점: O(1)에 가까운 검색 속도.
• 단점: 힙 메모리 할당(new Node) 발생, 초기화 시 오버헤드, 메모리 파편화 가능성. 시스템 라이브러리로는 조금 무겁습니다.

💡 시도 2: 정렬된 배열 (Sorted Array) + 이진 탐색 (Binary Search) - [최종 선택]

생각해보면 에러 종류는 런타임에 변하지 않는 정적 데이터(Static Data)입니다. 굳이 동적인 맵을 쓸 필요가 없습니다.

우리는 룩업 테이블(Lookup Table) 방식을 채택했습니다.

1. 구조: (Exception_Id, Error_Code) 쌍을 담은 배열을 만듭니다.
2. 정렬: 프로그램 시작 시(Elaboration) 예외 ID(주소값) 기준으로 딱 한 번 정렬합니다.
3. 검색: 런타임에는 이진 탐색(O(log N))으로 찾습니다.

   -- [구현 아이디어]
   type Error_Pair is record
      Id   : Integer_Address;   -- Ada 예외 ID의 주소값
      Code : Interfaces.C.int;  -- C errcode
   end record;

   -- 힙 할당 없음! 정적 데이터 영역(Data Segment)에 상주
   Table : array (1 .. N) of Error_Pair := (...);

   function map_to_c_errcode (Occ : Exception_Occurrence) return int is
      -- 이진 탐색 수행
   begin
      -- ... Binary Search Logic ...
      return Found_Code;
   end map_to_c_errcode;

🚀 성과 분석

이 아키텍처를 적용함으로써 얻은 이점은 명확합니다.

1. Zero Allocation: 에러 매핑을 위해 malloc/new를 단 한 번도 호출하지 않습니다.
2. Cache Friendly: 데이터가 배열에 연속적으로 붙어있어, 노드 기반의 Map보다 CPU 캐시 적중률이 훨씬 높습니다.
3. 유지보수성: 새로운 에러가 생기면 테이블에 한 줄만 추가하면 끝입니다.
4. 가독성: C API 함수 본문이 아주 깨끗해졌습니다.

시스템 프로그래밍에서 변하지 않는 데이터라면 맵(Map)보다 정렬된 배열(Sorted Array)이 깡패라는 격언을 다시 한번 확인할 수 있었습니다.

Ada나 시스템 프로그래밍, API 설계에 관심 있는 분들께 도움이 되길 바랍니다.