소프트웨어 성능의 이해

리처드 사이트 지음 | 최왕용 옮김

에이콘출판 2024년 12월 10일 출간 국내도서 : 2024년 01월 31일 출간

작품소개

책소개

소프트웨어 엔지니어라면 누구나 마주할 수 있는 예기치 못한 성능 문제를 발견하고, 평가하며 해결하는 방법을 설명하는 책이다. 저자가 수많은 세월을 걸쳐 겪어온 문제들과 이를 정확히 간파하는 방법을 제시하고 도구들을 설명한다. 4가지 근본이 되는 하드웨어 자원을 설명하고 이들의 상호작용을 이해하며 다양한 도구와 함께 분석한다. 이 책을 끝까지 읽은 후에는 모호했던 문제를 더욱 정확히 이해하고 해결 방법을 스스로 찾을 힘을 얻게 될 것이다.

목차

1부. 측정

1장. 너무 느린 내 프로그램
1.1 데이터 센터의 측면
1.2 데이터 센터 하드웨어
1.3 데이터 센터 소프트웨어
1.4 긴 꼬리 지연시간
1.5 프레임워크에 관한 고찰
1.6 크기 정도 산정
1.7 트랜잭션이 느린 이유
1.8 5가지 기본적인 자원들
1.9 요약


2장. CPU 측정
2.1 과거에서 지금까지의 발자취
2.2 지금의 위치
2.3 add 명령어의 지연시간 측정
2.4 직선형 코드의 실수
2.5 간단한 반복문, 반복문 오버헤드 실수, 컴파일러 최적화 실수
2.6 사용되지 않는 변수로 인한 실패
2.7 향상된 반복문
2.8 의존적인 변수들
2.9 실제 실행 지연시간
2.10 몇 가지 추가 차이점
2.11 요약
연습


3장. 메모리 측정
3.1 메모리 타이밍
3.2 메모리
3.3 캐시 구조
3.4 데이터 정렬
3.5 변환 색인 버퍼 구조
3.6 측정
3.7 캐시 라인 크기 측정
3.8 문제: N+1 프리패칭
3.9 종속적인 로드
3.10 무작위가 아닌 DRAM
3.11 캐시 계층별 크기 측정
3.12 캐시 계층별 접근도 측정
3.13 변환 버퍼 시간
3.14 활용도 낮은 캐시
3.15 요약
연습


4장. CPU와 메모리의 상호작용
4.1 캐시 상호작용
4.2 간단한 행렬 곱셈의 다양성
4.3 예측
4.4 초기화, 크로스 체크 그리고 관찰
4.5 초기의 결과
4.6 더 빠른 행렬 곱셈, 전치 방법
4.7 더 빠른 행렬 곱셈과 하위 블록 방법
4.8 캐시 인지 계산
4.9 요약
연습


5장. 디스크/SSD 측정
5.1 하드 디스크
5.2 SSD
5.3 소프트웨어 디스크 접근과 디스크 버퍼링
5.4 디스크를 빠르게 읽는 방법
5.5 대략적인 계산
5.6 디스크 쓰기는 얼마나 빠른가
5.7 결과
5.8 디스크 읽기
5.9 디스크에 쓰기
5.10 SSD 읽기
5.11 SSD에 쓰기
5.12 다중 전송
5.13 요약
연습


6장. 네트워크 측정
6.1 이더넷
6.2 허브, 스위치, 라우터
6.3 TCP/IP
6.4 패킷
6.5 원격 프로시저 호출(RPC)
6.6 슬롭
6.7 네트워크 트래픽 관찰
6.8 간단한 RPC 메시지 정의
6.9 샘플 로깅 설계
6.10 샘플 RPC를 이용한 클라이언트 서버 시스템
6.11 간단한 서버 프로그램
6.12 스핀 락
6.13 샘플 클라이언트 프로그램
6.14 하나의 샘플 클라이언트 서버 RPC 측정
6.15 RPC 로그 후처리
6.16 관찰
6.17 요약
연습


7장. 디스크와 네트워크 데이터베이스의 상호작용
7.1 시간 정렬
7.2 다중 클라이언트
7.3 스핀 락
7.4 실험 1
7.5 디스크 기반 데이터베이스
7.6 실험 2
7.7 실험 3
7.8 로깅
7.9 트랜잭션 지연시간의 다양성 이해
7.10 요약
연습


2부. 관찰

8장. 로깅
8.1 관찰 도구
8.2 로깅
8.3 기본적인 로깅
8.4 확장된 로깅
8.5 타임스탬프
8.6 RPC ID
8.7 로그 파일 포맷
8.8 로그 파일 관리
8.9 요약


9장. 측정 결과의 통합
9.1 균일한 속도와 버스트 이벤트
9.2 측정 간격
9.3 타임라인
9.4 타임라인의 더 많은 요약
9.5 시간 규모 히스토그램
9.6 이벤트별 측정 집계
9.7 시간에 따른 값의 패턴
9.8 시간 간격 업데이트
9.9 트랜잭션 예제
9.10 결론


10장. 대시보드
10.1 샘플 서비스
10.2 샘플 대시보드
10.3 마스터 대시보드
10.4 인스턴스별 대시보드
10.5 서버별 대시보드
10.6 정상 상태 검사
10.7 요약
연습


11장. 다른 도구들
11.1 관찰 도구의 종류
11.2 관찰 데이터
11.3 top 명령어
11.4 /proc과 /sys 수도 파일
11.5 time 명령어
11.6 perf 명령어
11.7 oprofile, CPU 프로파일러
11.8 strace, 시스템 콜
11.9 ltrace, CPU C 라이브러리 호출
11.10 ftrace, CPU 추적
11.11 mtrace, 메모리 할당/해제
11.12 blktrace, 디스크 추적
11.13 tcpdump와 와이어 샤크, 네트워크 추적
11.14 locktrace, 임계 구역 락
11.15 부하, 외부 호출, 그리고 트랜잭션 지연시간
11.16 요약
연습


12장. 추적
12.1 추적의 장점
12.2 추적의 단점
12.3 시작하며 묻는 세 가지 질문
12.4 예제: 초기의 프로그램 카운터 추적
12.5 예제 : 함수별 카운트와 시간
12.6 사례 연구 : 지메일의 함수별 추적
12.7 요약


13장. 관찰 도구 설계 원칙
13.1 관찰의 대상
13.2 관찰의 정도
13.3 오버헤드의 정도
13.4 설계 결과
13.5 사례 연구 : 히스토그램 버킷
13.6 데이터 디스플레이 설계
13.7 요약


3부. 커널-사용자 추적

14장. KUtrace: 목적, 설계, 구현
14.1 개요
14.2 목표
14.3 설계
14.4 구현
14.5 커널 패치와 모듈
14.6 컨트롤 프로그램
14.7 후처리
14.8 보안
14.9 요약


15장. KUtrace: 리눅스 커널 패치
15.1 추적 버퍼 데이터 구조
15.2 가공되지 않은 추적 블록 형태
15.3 추적 항목
15.4 IPC 추적 항목
15.5 타임스탬프
15.6 이벤트 번호
15.7 중첩된 추적 항목
15.8 코드
15.9 패킷 추적
15.10 AMD/인텔 x86-64 패치
15.11 요약
연습


16장. KUtrace: 리눅스 커널 모듈
16.1 커널 인터페이스 데이터 구조
16.2 모듈 로드/언로드
16.3 초기화와 추적 제어
16.4 추적 요청 구현
16.5 Insert1
16.6 InsertN
16.7 새로운 커널블록으로 전환
16.8 요약


17장. KUtrace: 사용자 모드 런타임 제어
17.1 추적 제어
17.2 홀로 동작하는 kutrace_control 프로그램
17.3 kutrace_lib 라이브러리
17.4 커널 모듈을 제어하는 인터페이스
17.5 요약


18장. KUtrace: 후처리
18.1 후처리 상세보기
18.2 rawtoevent 프로그램
18.3 eventtospan 프로그램
18.4 spantotrim 프로그램
18.5 spantospan 프로그램
18.6 samptoname_k와 samptoname_u 프로그램
18.7 makeself 프로그램
18.8 KUtrace JSON 형태
18.9 요약


19장. KUtrace: 소프트웨어 역동성 디스플레이
19.1 개요
19.2 1구역, 제어
19.3 2구역, Y축
19.4 3구역, 타임라인
19.5 4구역, IPC 범례
19.6 5구역, X축
19.7 6구역, 저장/복구
19.8 보조 제어
19.9 요약


4부. 추론

20장. 찾고자 하는 것
20.1 개요


21장. 너무 많은 실행
21.1 개요
21.2 프로그램
21.3 미스터리
21.4 탐구 및 추론
21.5 미스터리 이해
21.6 요약


22장. 느린 실행
22.1 개요
22.2 프로그램
22.3 미스터리
22.4 부동 소수점 방해 프로그램
22.5 메모리 방해 프로그램
22.6 미스터리의 이해
22.7 요약


23장. CPU 대기
23.1 프로그램
23.2 미스터리
23.3 탐구와 추론
23.4 미스터리2
23.5 미스터리2의 이해
23.6 보너스 미스터리
23.7 요약
연습


24장. 메모리 대기
24.1 프로그램
24.2 미스터리
24.3 탐구와 추론
24.4 미스터리 2 : 페이지 테이블 접근
24.5 미스터리 2의 이해
24.6 요약
연습


25장. 디스크 대기
25.1 프로그램
25.2 미스터리
25.3 탐구와 추론
25.4 40MB 읽기
25.5 순차적 4KB 블록 읽기
25.6 임의의 4KB 블록 읽기
25.7 SSD의 40MB 쓰기와 동기화
25.8 SSD의 40MB 읽기
25.9 한 번에 두 파일에 접근하는 두 프로그램
25.10 미스터리의 이해
25.11 요약
연습


26장. 네트워크 대기
26.1 개요
26.2 프로그램
26.3 실험 1
26.4 실험 1의 미스터리
26.5 실험 1 탐구와 추론
26.6 실험 1의 RPC 소요 시간
26.7 실험 2
26.8 실험 3
26.9 실험 4
26.10 미스터리의 이해
26.11 추가 이상 현상
26.12 요약


27장. 락 대기
27.1 개요
27.2 프로그램
27.3 실험 1 : 오랜 락 유지 시간
27.3.1 간단한 락
27.3.2 락 포화
27.4 실험 1의 미스터리
27.5 실험 1의 탐구와 추론
27.5.1 락 캡처
27.5.2 락 기아
27.6 실험 2 : 락 캡처 수정
27.7 실험 3 : 다중 락에 의한 락 경합 수정
27.8 실험 4 : 더 적은 락을 통한 락 경합 수정
27.9 실험 5 : 대시보드를 위한 RCU를 이용한 락 경합 수정
27.10 요약


28장. 시간 대기
28.1 주기적인 작업
28.2 타임아웃
28.3 타임 슬라이싱
28.4 인라인 실행 지연
28.5 요약


29장. 큐 지연
29.1 개요
29.2 요청 분포
29.3 큐 구조
29.4 작업 테스크
29.5 프라이머리 테스크
29.6 디큐
29.7 인큐
29.8 스핀 락
29.9 “작업” 루틴
29.10 간단한 예제
29.11 가능성 있는 문제
29.12 CPU 빈도수
29.13 복잡한 예제
29.14 CPU 대기 : RPC 로그
29.15 CPU 대기 : KUtrace
29.16 PlainSpinLock 결함
29.17 근본 원인
29.18 PlainSpinLock 수정 : 가시성
29.19 부하 분산
29.20 큐 길이 : 가시성
29.21 마지막 스핀
29.22 추가 결함
29.23 크로스 체크
29.24 요약
연습


30장. 정리
30.1 배운 것
30.2 배우지 못한 것
30.3 다음 단계
30.4 전체 책 요약


부록 A. 샘플 서버
A.1 샘플 서버 하드웨어
A.2 서버 연결


부록 B. 추적 항목
B.1 고정 길이의 추적 항목
B.2 가변 길이의 추적 항목
B.3 이벤트 번호
B.3.1 커널 모드 KUtrace 패치로 삽입된 이벤트
B.3.2 유저 모드 코드로 삽입된 이벤트
B.3.3 후처리 코드로 삽입된 이벤트

출판사 서평

◈ 이 책에서 다루는 내용 ◈

◆ CPU와 메모리, 디스크/SSD, 네트워크 그리고 자원들간의 간섭과 관련된 문제를 측정하고 해결한다.
◆ 항상 느리게 동작하는 프로그램을 수정하고 뚜렷한 이유 없이 간헐적으로 지연되는 프로그램을 수정한다.
◆ 기대치와 성능 데이터의 차이가 발생하는 이유를 확인한다.
◆ 과도한 실행과 느린 명령어의 실행, 자원 사용을 대기하고 소프트웨어 락 등으로 발생한 문제를 규명한다.


◈ 이 책의 대상 독자 ◈

프로그래밍 과제를 수행하며 설명된 소프트웨어 관찰 도구를 구현하고자 하는 독자에게 특히 권장되는 책이다.
이 책 전반에 걸쳐 현대의 복잡한 프로세서와 성능 향상 메커니즘에 관한 설명이 등장한다. 실수로 이런 메커니즘을 무력화한다면 더 큰 지연이 발생할 수 있다. 독자는 이 모든 것과 함께 컴퓨터 아키텍처와 마이크로 아키텍처에 대해 더 깊이 이해할 수 있을 것이다.
이 책은 소프트웨어 전문가와 수준 높은 학생을 위한 교과서다. 뿐만 아니라 컴퓨터 하드웨어 설계자, 운영체제 개발자, 시스템 아키텍처 IT 전문가, 실시간 시스템 설계자 및 게임 개발자가 관심을 가질 만한 내용도 다룬다. 사용자가 직면한 대기 시간에 집중해서 모든 프로그래머의 경력을 향상할 수 있는 기술을 얻게 될 것이다.


◈ 옮긴이의 말 ◈

소프트웨어 엔지니어라면 누구나 한 번쯤 내가 작성한 소프트웨어 성능을 의심하고 고민하며 밤을 지새워 본 적이 있을 것입니다. 고도화된 프레임워크와 수많은 오픈소스를 활용하며, 사용자 다수가 이용하는 소프트웨어를 개발하는 엔지니어에게는 더욱 민감한 문제가 아닐 수 없을 것입니다. 역자의 짧은 경력 안에서도 소프트웨어를 개발하면서 안개가 낀 듯 관측하기 어렵고, 원인을 집어내기 까다로운 성능 문제들을 만나 두려움에 가슴이 뛰었던 날을 기억합니다. 모순적이게도 원인을 관측하기 어렵고 해결법이 모호해 나아가기 힘든 상황일수록 오히려 자연히 해소되는 천운은 더욱 피하고 싶었습니다.
저자는 우리가 피하고 싶은 이 안개가 걷히는 방법을 책 속에서 제시합니다. 소프트웨어 성능에 영향을 주는 4가지 근본이 되는 하드웨어 자원을 설명하고 이들의 상호작용의 이해와 구조적인 분석을 통해 성능의 병목을 가시적으로 확인하는 방법과 더불어 해결법을 서술합니다. 그뿐만 아니라, 다양한 커널 도구들과 함께 KUtrace를 활용해 잠재적인 문제를 찾아내는 방법도 독자에게 제공합니다.
이 책은 저자가 하드웨어와 소프트웨어의 상호작용을 이해하며 성능을 개선하기 위해 보내온 수많은 세월의 결과를 집대성한 책이기도 합니다. 추상적인 개념만을 소개하는 것이 아닌, 구체적인 사례를 제시함으로써 독자들은 이 글을 통해 저자의 경험에 공감하며 행간에 담긴 내용을 이해할 수 있을 것입니다.
이 책을 한국어로 옮기는 과정 자체만으로도 짧은 제 경력에 큰 영향을 주는 값진 경험이 됐습니다. 안개가 낀 듯한 제 소프트웨어는 현재도 다름이 없겠지만, 그 안개 속을 나아가는 방법을 알게 됐고, 뿌연 상황 속에서 어떤 곳에 초점을 맞춰야 할지 생각할 수 있는 힘을 얻게 됐습니다. "A man should look for what is, and not for what he thinks should be(존재할 것이라고 믿는 것이 아니라 찾아내야 한다)."라고 저자가 책 속에 인용했던 알베르트 아인슈타인의 말처럼 흔적을 남기고 그 흔적을 통해 원인을 찾아 개선해내는 유능한 엔지니어가 가는 길을 이 경험과 함께 좇고자 합니다.

작가정보

저자(글) 리처드 사이트

(Richard L. Sites)
1959년 처음으로 컴퓨터 프로그램을 개발했다. 커리어의 대부분을 하드웨어와 소프트웨어의 극간을 연구하며 보냈으며, 특히 CPU/소프트웨어 성능의 상호작용에 관심을 가졌다. 벡스VAX 마이크로코드, DEC 알파 공동 설계자 그리고 오늘날 거의 모든 프로세서에서 볼 수 있는 성능 카운터를 개발했다. 또한 DEC, 어도비, 구글과 테슬라에서 적은 오버헤드만으로 마이크로코드와 소프트웨어를 추적해왔다. 1974년 스탠포드(Standford)에서 박사 학위를 취득했고 66개의 특허를 보유한 미국 국립 공학 아카데미(US National Academy of Engineering)의 회원이다.

번역 최왕용

국내 퍼블릭 클라우드 프로바이더에서 소프트웨어 엔지니어로 클라우드 상품을 개발하고 있다. 주로 로드 밸런서와 같은 네트워크 상품을 개발하며, 소프트웨어 아키텍처와 시스템 구조에 관심을 두고 있다. 함께 일하고 싶은 소프트웨어 엔지니어가 되고자 한 걸음씩 성장하고 있다.

작가의 말

복잡한 소프트웨어의 성능을 이해하는 것은 대단히 어려운 일이다. 특히나 소프트웨어가 시간에 민감하고 가끔씩 제약 조건을 초과하는 경우라면 더 쉽지 않다. 소프트웨어 전문가는 소프트웨어의 다양한 동작에 대한 그림을 머릿속에 담고 있다. 이 그림에는 시간에 따라서 각 부분이 어떻게 동작하고 서로 상호작용을 하는지를 포함해 각 부분에 소요되는 시간의 추정치가 담겨 있다. 그들은 때론 이런 그림들을 문서화하기도 한다. 하지만 이런 소프트웨어가 제약된 시간을 충족하지 못할 때 지연된 원인과 성능에 이상이 생기는 근본적인 원인을 찾을 수 있는 도구는 거의 없다. 따라서 이 책은 소프트웨어 개발자와 학생들을 위한 교과서가 될 것이다.
소프트웨어 역동성이란 한 프로그램의 스레드 성능이나 실행 시간뿐 아니라 스레드 간, 또관련 없는 프로그램 사이 상호작용을 포함해서 운영체제와 사용자 프로그램 간 상호작용도 모두 포함한다. 복잡한 소프트웨어들은 이런 상호 작용의 영향으로 지연되곤 한다. 일부 코드가 차단되고 다시 깨울 때까지 대기하며 스케줄러가 CPU를 할당해주길 대기하거나 인터럽트 루틴이 CPU를 사용해서 모든 코드가 동작하지 않는 상태, 운영체제 서비스나 페이지 폴트 처리에 많은 시간을 쓰지만 눈에 보이지 않는 코드, I/O 디바이스나 네트워크 메시지를 기다리는 코드 등 다양한 경우가 발생한다.
시간에 민감한 소프트웨어는 기한이 정해진 정기적인 반복 작업이나 기한이 정해진 새로운 요청이 산발적으로 도착하는 작업을 모두 처리한다. 이런 작업은 비행기, 자동차, 산업용 로봇 등 움직이는 기계를 제어하는 신호를 전송하는 데 매우 엄격한 시간제한이 필요하기도 하고, 실시간으로 음성을 텍스트로 변환하는 일처럼 상대적으로 유연한 시간제한을 갖기도 한다. 또 고객의 정보가 담긴 데이터베이스를 조회하거나 웹 검색의 응답 속도처럼 좋은 성능을 기대하기도 한다. 마찬가지로 시간 제약은 휴대전화/태블릿/데스크톱/게임 등 사용자 인터페이스 응답 속도에도 적용된다. 시간 제약이라는 용어는 실시간이라는 용어보다 더 광범위하고 가끔은 엄격한 제한의 의미를 담기도 한다.
소프트웨어 테스크는 각각 신호나 요청, 그리고 결과나 응답을 포함한다. 신호와 결과 사이의 시간은 지연시간이나 응답 시간이라고 하며 기한이 정해져 있다. 기한을 초과한 테스크는 재앙과 실패하기도 하고, 다소 불편한 방법으로 종료되기도 한다. 이 책을 통해서 이런 실패의 근본적인 원인을 찾을 수 있는 방법을 배우게 될 것이다.