가장 작은 C++ 바이너리

• GCC만으로 생성한 ./a.out 바이너리의 크기를 줄이는 실험은 실행 성공, 종료 코드 0, 후처리 금지라는 조건에서 시작함
• 기본 int main(){ return 0; }은 15,816바이트였고, -s로 디버그 정보를 제거해 14,352바이트로 감소함
• -nostartfiles로 main 이전 시작 코드를 건너뛰고, -nostdlib -static -no-pie와 직접 SYS_exit 시스템콜을 사용해 동적 링크 기반 구조를 제거함
• .comment, .eh_frame, .note.gnu.property를 각각 -fno-ident, -fno-exceptions -fno-asynchronous-unwind-tables, -Wa,-mx86-used-note=no로 제거해 섹션 오버헤드를 줄임
• -Wl,--nmagic로 0x1000 정렬 패딩을 줄인 최종 바이너리는 400바이트이며, objcopy 같은 후처리는 범위 밖임

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목표와 기본 조건

• 목표는 가능한 가장 작은 크기의 ./a.out 바이너리 생성임
• 프로그램 조건은 세 가지임
  • ./a.out 실행 성공 필요
  • $?가 결정적으로 0이어야 함
  • 바이너리는 GCC만으로 생성해야 하며, objcopy, 헥스 에디터, 수동 패치 같은 후처리 금지
• 시작점은 가장 단순한 프로그램임

// compiled with gcc empty.c int main() { return 0; }

• 이 기본 프로그램의 파일 크기는 stat 기준 15,816바이트이며, 아무것도 하지 않는 바이너리를 담는 데 Apollo guidance computer의 RAM 네 개 분량이 필요하다는 비교 사용
• file a.out 출력은 ELF 64-bit LSB pie executable, dynamically linked, 인터프리터 경로, not stripped 상태를 표시함
• not stripped 상태를 줄이기 위해 GCC의 -s 플래그를 사용하면 디버그 정보를 유지하지 않고 컴파일하며, 크기는 14,352바이트로 감소함

시작 코드 우회와 동적 링크 제거

• ./a.out 실행부터 int main() 도달 전까지 많은 동작이 있으며, 이 주제는 Matt Godbolt의 CppCon 1시간 발표로도 다뤄진 내용임
• -nostartfiles와 _start()를 사용해 int main() 이전 과정을 건너뛰는 freestanding 바이너리 구성으로 변경함

// compiled with gcc empty.c -s -nostartfiles #include <cstdlib> extern "C" __attribute((noreturn)) void _start() { exit(0); }

• 이 변경 뒤 크기는 13,632바이트이며, 감소 폭은 크지 않음
• objdump -x a.out 출력은 동적 섹션과 함께 NEEDED libc.so.6, 인터프리터 경로, 동적 심볼 테이블, 재배치 메타데이터, PLT/GOT 구조, 공유 라이브러리 참조를 보여줌
• 프로그램의 목표가 즉시 종료뿐이므로 세 가지 플래그로 큰 구성요소를 제거함
  • -nostdlib: 표준 라이브러리를 링크하지 않음
  • -static: 동적 링크 구조 회피
  • -no-pie: 위치 독립 실행 파일 대신 고정 주소 실행 파일 생성

// compiled with gcc -static -nostdlib -no-pie -s empty.c extern "C" __attribute__((noreturn)) void _start() { __asm__ volatile( "mov $60, %%eax\n" // SYS_exit "xor %%edi, %%edi\n" // exit status 0 "syscall\n" :: : "rax", "rdi"); __builtin_unreachable(); }

• 직접 SYS_exit 시스템콜을 호출하는 방식으로 변경한 뒤 크기는 8,704바이트임

남은 섹션 제거

• objdump -D a.out 출력에는 .note.gnu.property, .text, .eh_frame, .comment 같은 섹션이 남아 있음
• .comment 섹션은 바이너리를 만든 컴파일러 정보를 저장하며, 해당 경우 GCC: (GNU) 15.2.0 문자열을 포함함
  • objdump는 이 데이터를 어셈블리로 해석해 이상한 명령처럼 표시함
  • -fno-ident를 추가하면 .comment 섹션이 제거되고 크기는 8,616바이트로 감소함
• .eh_frame 섹션은 스택 언와인딩에 쓰이며, 아무것도 하지 않는 프로그램에는 오류 처리용으로 필요하지 않음
  • -fno-exceptions -fno-asynchronous-unwind-tables를 사용해 크기가 4KB대로 감소함
• 마지막으로 제거할 대상은 .note.gnu.property 섹션임
  • readelf -n a.out은 x86 feature used: x86, x86 ISA used: x86-64-baseline 속성을 표시함
  • GNU는 다른 도구가 읽을 수 있도록 이 섹션에 노트를 남기며, 이 경우 어셈블러가 노트를 추가함
  • -Wa,-mx86-used-note=no를 추가하면 크기는 4,320바이트가 됨
• 이 시점의 objdump -D a.out은 .text 섹션의 명령만 표시함

401000: 55 push %rbp 401001: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp 401004: b8 3c 00 00 00 mov $0x3c,%eax 401009: 31 ff xor %edi,%edi 40100b: 0f 05 syscall

정렬 패딩과 400바이트 구조

• 4,320바이트 상태의 readelf -a a.out 출력은 ELF 헤더, 프로그램 헤더 3개, 섹션 헤더 3개, .text, .shstrtab 구조를 보여줌
• 프로그램 헤더는 OS 로더가 프로그램 시작 시 파일을 메모리 세그먼트로 매핑하는 방법을 알려주는 테이블임
• 해당 출력의 LOAD 232바이트는 64바이트 ELF 헤더와 56바이트 프로그램 헤더 3개에 해당함
• LOAD 항목의 정렬 요구사항이 0x1000이어서 링커가 .text를 패딩 뒤에 배치함
• -Wl,--nmagic로 링커에 이 가정을 하지 않도록 전달하면 ELF 메타데이터와 .text 섹션을 함께 매핑할 수 있어 LOAD가 하나만 남고 크기는 400바이트로 감소함
• 400바이트 바이너리 구성은 다음과 같음

• PT_LOAD는 명령을 로드하는 데 필요하고, PT_GNU_STACK은 GCC가 항상 생성함
• .shstrtab은 GCC만으로 제거할 수 없음
• 첫 번째 섹션 헤더 엔트리는 System V ABI ELF specification이 값 0인 정의되지 않은 섹션 인덱스 SHN_UNDEF용으로 예약하도록 요구함
• 실제로 이 엔트리는 SHT_NULL 타입이어서 도구에서는 NULL 섹션으로 표시함
• objcopy 같은 도구는 일부 항목을 더 잘라낼 수 있지만, 해당 방식은 범위 밖임

단계별 크기와 최종 코드

• 최종 컴파일 명령과 코드는 다음과 같음

// gcc -Wl,--nmagic -Wa,-mx86-used-note=no -static -nostdlib -no-pie -s -fno-ident -fno-exceptions -fno-asynchronous-unwind-tables empty.c extern "C" __attribute__((noreturn)) void _start() { __asm__ volatile( "mov $60, %%eax\n" // SYS_exit "xor %%edi, %%edi\n" // exit status 0 "syscall\n" :: : "rax", "rdi"); __builtin_unreachable(); }

• objdump와 ld를 처음 사용한 실습이었고, -fno-asynchronous-unwind-tables -fno-exceptions는 오류 시 스택 언와인딩 처리가 필요 없다고 GCC에 전달함
• ld에는 --no-eh-frame-hdr 플래그도 있음
• reddit에서 124바이트까지 줄인 사례가 있음