[IT 인프라] Ch4 기본 이론 (큐, 배타적 제어, 상태 저장/비저장)

📚 <그림으로 공부하는 IT 인프라 구조> 를 읽고 그 내용을 정리하였습니다 

 

큐

'큐(Queue)'는 우리말로 '대기 행렬'이라 표현할 수 있다. 

• 큐(대기 행렬)에서는 줄을 설 때는 가장 마지막에 서고, 처리는 선두부터 순서대로 된다.
• 먼저 들어온 데이터가 먼저 나가는 큐 동작을 FIFO(First In First Out) 방식이라고 한다.

 

큐는 컴퓨터 세계에서 다양한 곳에 행렬이 만들어진다.

• CPU 처리를 기다리고 있는 프로세스나 스레드 행렬
• 하드 디스크 등의 저장소 읽기 처리를 기다리고 있는 I/O 요구 행렬
• 네트워크 접속 성립을 기다리고 있는 접속 요구 행렬

 

 이때 CPU를 기다리고 있는 프로세스 행렬을 런큐(Run-Queue)라고 한다.

'런큐에 쌓인 프로세스 수를 코어 수로 나누어서 1이라면 문제 없다' 라는 것이 일반적이다. 

참고로, CPU에서 처리 중인 프로세스를 런큐로 인식할지는 OS 종류에 따라 달라진다. 리눅스에서는 CPU에서 실행 중인 프로세스도 런큐로 인식한다. OS 커널에는 프로세스 스케줄러라는 기능이 있어서 런큐 등을 관리한다.

 

프로세스나 스레드가 사용하는 대상이 CPU가 아니라 HDD면 데이터베이스의 디스크 I/O 예시가 된다.

HDD는 데이터가 기록돼 있는 특정 위치에 액세스해야 하기 때문에 CPU처럼 비어 있다는 이유로 다른 것을 사용할 수 없다. 또한, 공유 저장소에서는 일반적으로 캐시라 불리는 메모리를 내장하고 있어서 I/O가 발생하면 캐시에 보관하기 때문에 기록되기까지 기다리지 않아도 된다.

 

배타적 제어

배타적 제어는 말 그대로 '다른 것을 배제하는 제어'다.

 

컴퓨터 세계에서 예시를 들어보면, 직렬 처리에서는 배타적 제어가 필요 없지만, 병렬 처리에서는 필요하다. 

이렇게 배타적 제어를 하는 부분은 병목 현상이 발생하기 쉽다. 

일반적으로 OS나 DBMS는 병렬 처리를 위해 배타적 제어를 사용한다고 한다.

 

특징을 정리하면 다음과 같다.

• 복수의 처리가 공유 자원(CPU, 메모리, 디스크 등)에 동시에 액세스하면 불일치가 발생할 수 있기 때문에 배타적 제어로 보호해 주어야 한다.
• 배타적 제어에서는 특정 처리가 공유 자원을 이용하고 있는 동안 다른 처리가 이용할 수 없게 해서 불일치가 발생하지 않도록 한다.

 

DBMS에서 사용되는 배타적 제어를 알아보자.

1️⃣DBMS의 배타적 제어에서는 매우 짧은 시간 동안만 락(Lock)을 유지하는 래치(Latch)라는 것이 있어서 CPU에서 의미가 없는 처리를 하면서 대기하는 방식이 있다. 스핀락(Spin-Lock)이라고도 불린다. 

 

2️⃣한편 비교적 장시간 락을 유지하도록 큐를 이용해서 관리하는 방식인 슬립락(Sleep-Lock)이라는 것도 있다. 

 

3️⃣스핀락은 CPU에서 의미 없는 처리를 반복하면서 대기하지만, 단순히 계속 반복만 하는 것이 아니라 스핀해서 락을 확보하지 못하면 슬립하는 등 상황에 따라 스핀할지 슬립할지를 판단하는 어댑티브락(Adaptive-lock) 방식도 있다.

 

리눅스 커널은 빅 커널락(Big Kernel Lock, BKL)이라 불리는, 하나의 스핀락으로 유지된다.

커널의 BKL이 이용되는 부분에서는 처리가 직렬화돼서 동시에 하나의 CPU만 커널 코드를 실행할 수 있다. 따라서 이 부분이 병목 지점이 되기 쉽다.

 

상태 저장/ 상태 비저장

• 상태 저장(Stateful): 상태 정보를 가짐
  • 정보를 많이 가지고 있기에 세분화된 제어가 가능한 반면, 구조가 복잡하다.
  • 예시) ssh
• 성태 비저장(Stateless): 상태 정보를 가지지 않음
  • 고기능은 아니지만, 상태를 고려하지 않기 때문에 간단하며 성능이나 안정성 측면에서 우수하다.
  • 예시) http

 

컴퓨터 내에서는 거의 모든 곳에 상태 저장이 사용되고 있다. 복잡한 처리를 구현하기 위해 상태 저장은 필수불가결이다.

일반 CPU는 하나의 CPU에서 복수의 프로세스를 조금씩 처리한다. 이 때문에 특정 시점에 진짜로 처리를 하고 있는 프로세스는 1CPU당 하나다.

처리를 하지 않는 프로세스는 대기 상태로 있어야 한다. 이를 효율적으로 처리하기 위해 프로세스에서는 아래와 같은 상태로 상태 전이를 한다.

• 개시: 어떤 명령이나 애플리케이션이 실행하면 프로새스가 생성되면 실행된다.
• 실행 가능 상태: 가장 먼저 실행 큐라 불리는 순서 대기 행렬에 줄을 서야 한다.
• 실행 상태: 차례가 돌아오면 실행 상태로 전이하고 애플리케이션을 처리한다.
• 하나의 CPU가 독점하는 것이 아니라 일정량을 처리하면 CPU를 다시 열며, 이때 프로세스는 다시 순서 행렬로 돌아가 줄을 선다.
• 대기 상태: 만약 디스크 액세스 등 I/O 대기가 발생하는 처리를 실행한 경우 대기 상태로 전이한다.
• 종료: 이 대표적인 세 가지 상태(실행 가능 상태, 실행 상태, 대기 상태)를 전이하면서 처리가 전부 끝나면 종료한다.