부하 (컴퓨터)

부하(load, 負荷)란 시스템에서 원하는 어떤 효과를 얻기 위해 취하는 행동에 필요한 동작이나 자원. 예를 들어, 운영 체계에서 프로세스들을 스케줄링함으로써 컴퓨터 자원의 이용 효율을 높일 수 있으나, 프로세스를 스케줄링하는 그 자체도 중앙 처리 장치(CPU)의 시간과 기억 장치가 소모된다. 만일 스케줄링을 잘못하여 스케줄링 자체의 부하가 너무 커진다면 아예 스케줄링을 하지 않는 것이 낫다. 이와 같이 부하는 적정한 한도 밑으로 유지되어야 하는 성질을 가지고 있다.

개요

부하는 컴퓨터계에서는 시스템이 수행해야 할 양의 척도로, 데이터(비트, 명령어, 작업, 프로세스)를 처리 / 실행 / 수행해 주는 주체인 CPU와 GPU에서 주로 취급하는 편인데 Windows의 작업 관리자에서 확인할 수 있는 이용률 또는 사용률(영문 버전에서는 utilization 또는 usage라고 표시되어 있다.)과 혼동해서 같은 의미처럼 취급하는 사람들이 많지만, 이용률과 부하는 엄연히 서로 다른 개념이다. 여러 프로세스들을 관리하는 서버 및 네트워크 분야에서의 부하 개념은 실행 중인 프로세스의 양과 대기 중인 프로세스의 양을 모두 합친 전체 프로세스의 양을 가리키고, 전체 프로세스의 양에 대한 실행 중인 프로세스의 양을 비율로 환산한 것을 이용률이라고 부른다. 쉽게 말해서 주어진 일의 양을 부하, 한 번에 처리할 수 있는 일의 양을 이용률에 해당되며, 만약 주어진 일의 양이 한 번에 처리할 수 있는 일의 양보다 더 적다면 이때 CPU의 이용률은 100%보다 낮은 값이 된다. 다만, 값이 수시로 바뀌는 순간 부하로는 그래프와 함께 모니터링하지 않는 한 전체적인 부하를 제대로 파악하기 어려우므로, 일반적으로 그냥 부하라고 하면 '일정 단위 시간당 평균 부하'로 통용된다.

특징

프로세스 멀티태스킹

단일 서버에 걸리는 부하의 원인은 크게 CPU 부하와 I/O 부하, 이 2가지로 분류된다. CPU 부하가 높은 경우는 서버에서 실행되고 있는 프로그램 자체의 연산량이 많은 경우나 프로그램에 오류 등이 발생한 경우이다. 이러한 경우에는 프로그램에서 발생하는 오류를 제거하거나 알고리즘의 시간, 공간 복잡도를 개선하여 대응할 수 있다. I/O 부하가 높은 경우는 서버에서 실행되고 있는 프로그램의 입출력이 많거나, DB나 하드디스크 등의 저장 장치로의 접근이 많아 스왑이 발생하는 경우가 대부분이다. 이러한 경우 특정한 프로세스가 극단적으로 메모리를 소비하고 있는지 확인한 후, 프로그램 자체에 오류가 있다면 프로그램을 개선하거나 탑재된 메모리의 용량 자체가 부족한 경우 램을 추가하여 메모리를 증설하는 방법으로 대응할 수 있다. 저장 장치나 하드디스크로의 입출력이 빈번하게 발생하는 경우 또한 메모리를 증설하거나, 메모리 증설로 대응할 수 없는 경우는 데이터 자체를 분산(샤딩이나 파티셔닝)하거나 캐시서버등을 도입하는 방안을 고려해볼 수 있다. 이러한 단일 서버에서 발생하는 부하를 측정하기 위해서는 리눅스 운영체제의 커널을 이용하면 된다. 리눅스나 윈도우 등의 운영체제에서는, 동시에 여러 프로세스들을 처리하기 위해 멀티태스킹 방식을 사용한다. CPU나 디스크 등의 유한한 하드웨어에서 여러 프로세스들을 동시에 처리하기 위해, 매우 짧은 시간 간격으로 여러 프로세스들을 돌아가면서 처리하는 방식이다. 이러한 멀티태스킹 방식에서, 처리해야 할 프로세스가 점점 많아지게 될 시 CPU를 사용하고 싶어 대기하고 있는 프로세스들이 점점 쌓이게 된다. 이렇게 CPU를 사용하려고 기다리고 있는 프로세스를 운영체제에서는 Load average (평균 부하)라고 정의한다. CPU를 사용하려고 기다리고 있는 프로세스가 많을수록, CPU는 바쁘다는 의미이고 결국 시스템에 걸리는 부하가 크다는 뜻이다. 리눅스에선 top 명령어에서 이러한 Load average를 확인할 수 있다.

프로세스

프로세스는 흔히 작업(Task)으로도 불리운다. 어떠한 명령을 수행하기 위한 코드와 거기에 필요한 데이터 값의 덩어리를 객체로 표현한 것이 프로세스이다. 프로세스가 시스템에서 처리되기 위해서는 CPU(Processor) 연산을 필요로 한다. 하지만, CPU는 물리적으로 한정적인 자원이기 때문에 이를 특정 프로세스가 독점하지 못하도록 OS(Linux)는 프로세스 스케줄러(Scheduler)를 통해서 조절하게 된다. 멀티(Multi)프로세서는 CPU 자원이 1개 이상일 뿐이지 근본적으로 한정적 자원이라는 점에서는 변함이 없다. 프로세스 스케줄러는 프로세스에 대한 디스크립터(기술자 - Descriptor)를 두고 관리를 하는데 프로세스 스케줄러에 의해서 관리되는 프로세스는 디스크립터에 아래와 같은 상태 값을 갖게 된다.

상태 값	의미
TASK_RUNNING	실행 가능 상태로 언제든지 CPU에 의해서 처리가 가능한 상태이다. 즉, CPU에 의해서 실행 중(RUNNING)일 수도 있고 가능한 상태(RUNNABLE)일 수도 있다.
TASK_INTERRUPTIBLE	인터럽트(Interrupt)에 의해서 언제든지 상태가 변할 수 있는 대기 상태이다. 일반적인 대기 상태를 의미한다. (ex. sleep, 터미널의 입력 대기)
TASK_UNINTERRUPTIBLE	인터럽트에 의해서 상태가 변경되지 않는 대기 상태이다. 즉, 현재 대기의 대상이 끝날 때까지 방해 받지 않고 대기하는 상태이다. 보통 I/O 처리에 대해서 대기 중인 상태이다.
TASK_STOPPED	동작이 중단된 상태이다. 일시 정지된 상태로 재개 시그널을 받을 때까지 멈춰있게 된다. 터미널에서 전면(Foreground)에 실행 중인 프로그램에 대해서 Ctrl+Z를 입력하면 이러한 상태로 진입하게 된다.

참고자료

• 부하 네이버 지식백과 - https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=850456&cid=42346&categoryId=42346
• 부하 나무위키 - https://namu.wiki/w/%EB%B6%80%ED%95%98
• injae Kim, 〈서버에 걸리는 부하, 추측하지 말고 계측하자〉, 《데브로그》, 2020-07-09

같이 보기

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