OSTEP 06-cpu-mechanisms(Direct Execution) 문제 풀이

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숙제 (측정)

이 숙제에서 시스템 콜과 문맥 교환의 비용을 측정할 것이다.

시스템 콜의 비용을 측정하 는 것은 상대적으로 쉽다.

예를 들어, 간단한 시스템 콜을 (0 바이트 읽기 등) 반복적으로 호출하여 통틀어 걸린 시간을 측정한다.

이 시간을 반복 횟수로 나누면 시스템 콜의 비용을 추정할 수 있다.

한 가지 고려해야 할 사항은 타이머의 정확도와 정밀도이다.

사용할 수 있는 전형적인 타이머는 gettimeofday()이다.

자세한 사항에 대해서는 man 페이지를 참조하도록.

man 페이지에서 볼 수 있는 정보는 gettimeofday()이 1970년 이후 경과한 시간을 마이크로초 단위로 반환한다는 것이다.

그러나 이 사실이 타이머가 마이크로초 수준의 정밀도를 가진다는 것을 의미하지는 않는다.

타이머가 얼마나 정밀한지를 알고 싶다면 gettimeofday()를 연속해서 호출하여 측정하라.

이 결과로부터 만족스러운 측정 결과를 얻기 위해서는 널 시스템 콜 테스트를 몇 번 반복해야 하는지 알 수 있을 것이다.

gettimeofday()가 원하는 만큼 정밀도를 보이지 않는다면 x86 CPU에서 제공되는 rdtsc 명령어를 사용하는 것을 검토해 보아야 한다.

문맥 교환의 비용을 측정하는 것은 더 곤란하다.

lmbench 벤치마크는 두 개의 프로세 스를 하나의 CPU에서 실행시키고 둘 사이에 Unix 파이프를 설정하여 문맥 교환 비용을 측정한다.

파이프는 Unix 시스템에서 프로세스끼리 통신할 수 있는 여러 방법 중의 하나이다.

첫 번째 프로세스는 첫 번째 파이프에 데이터를 쓰고, 두 번째 파이프로부터 데이터가 전달되기를 기다린다.

첫 번째 프로세스가 두 번째 파이프로부터 읽을 ྕ언가를 기다린다는 사실을 알게 되면 운영체제는 첫 번째 프로세스를 봉쇄 상태로 만들고 다른 프로세스로 전환한다.

이 프로세스는 첫 번째 파이프로부터 데이터를 읽고 두 번째 파이프에 데이터를 쓴다.

두 번째 프로세스가 첫 번째 파이프로부터 다시 데이터를 읽으려고 하면 봉쇄 상태로 들어간다.

이런 식으로 주고 받는 통신 사이클이 계속된다.

이러한 통신 비용을 반복적으로 측정하여 lmbench는 문맥 교환의 비용에 대해 훌륭한 추정치를 구할 수 있다.

이 숙제에서 파이프를 사용하거나 Unix 소켓과 같은 다른 통신 기법을 사용하여 유사한 상황을 만들어 볼 수 있다.

문맥 교환의 비용을 측정하는 데 있어 어려움은 하나 이상의 CPU를 가진 시스 템에서 발생한다.

그런 시스템에서 해야만 하는 일은 문맥 교환되는 프로세스들이 같은 프로세서 상에 위치하는 것을 보장하는 것이다.

다행히도 대부분의 운영체제는 프로세스를 특정 프로세서에 ྗ어두는 시스템 콜을 가진다.

예를 들어, Linux에서는 sched_setaffinity() 시스템 콜이 기대하는 일을 한다.

두 프로세스를 같은 프로세서에 존재하도록 보장하면 같은 프로세서에 존재하는 한 프로세스를 중단시키고 다른 프로세스를 복원하는 운영체제의 비용을 확실하게 측정할 수 있다.

결과

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>

long toMicroSecond(struct timeval start) {
    return start.tv_sec * 1000 * 1000 + start.tv_usec;
}

long calculateSystemCallDuration() {
    struct timeval start;
    struct timeval end;

    int fd[2];
    char c;

    pipe(fd);
    write(fd[1], "test message", sizeof("test message"));
    gettimeofday(&start, NULL);
    read(fd[0], &c, 0);
    gettimeofday(&end, NULL);

    return toMicroSecond(end) - toMicroSecond(start);
}

long calculateContextSwitchDuration() {
    struct timeval start;
    struct timeval end;

    gettimeofday(&start, NULL);
    usleep(0);
    gettimeofday(&end, NULL);

    return toMicroSecond(end) - toMicroSecond(start);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    printf("system call duration: %ld\n", calculateSystemCallDuration()); // 대략 0 ~ 1 마이크로초
    printf("context switch duration: %ld\n", calculateContextSwitchDuration()); // 대략 70 마이크로초
}

결론: 시스템 콜의 호출 비용은 매우 저렴하며 문맥 전환에는 어느정도의 비용을 지불해야 한다는 것을 알 수 있습니다.

출처

원서

http://www.ostep.org

 

번역본

https://github.com/remzi-arpacidusseau/ostep-translations

 

문제

https://github.com/remzi-arpacidusseau/ostep-homework