Windows 성능 옵션(프로그램 vs 백그라운드 서비스)을 이해하다

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Windows NT부터 Windows 7에서 까지 ‘시스템 속성 > 성능 > 설정 > 성능 옵션 > 고급 > 프로세서 사용 계획’ 에 ‘프로그램’과 ‘백그라운드 서비스’ 옵션 두 가지 중 하나를 사용자가 선택할 수 있습니다. 이 두 개의 옵션에 대해서 여러 의견(?)들이 난무하는데요, 이번 포스팅에서는 이 두 가지 옵션이 어떤 의미를 가지는지 그리고 여러분은 어떤 상황에서 두 옵션 중 하나를 선택할 것인지를 설명 드릴까 합니다.

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[그림 1. Windows 7, 프로세서 사용 계획]

잘못된 오해
많은 분들께서 이 옵션에 대해서 아래와 같이 잘못 이해하고 계십니다.

{‘프로그램’은 실제 사용자가 실행하는 응용 프로그램이고 ‘백그라운드 서비스’는 ‘서비스 관리자(services.msc)’에서 실행되는 서비스를 의미한다. 그래서 프로세서 사용계획의 설정에 의해 ‘프로그램’을 선택하면 사용자 프로그램에 더 많은 CPU 사용량을 할당하고 ‘백그라운드 서비스’를 선택하면 서비스(Service)에 더 많은 CPU 사용량을 할당한다} => NO, NO, NO 이렇게 이해하고 계시면 안됩니다.

진실을 말씀 드리겠습니다.
(이 옵션을 이해하기 위해서는 먼저 스레드와 컨텍스트 스위치 두가지 개념을 이해하셔야 합니다 그래서 이 단어의 정의를 설명드리면서 옵션을 이해하도록 하겠습니다)

우리가 사용하는 프로그램이란 것은 알고 보면 실행 파일이 프로세스(Process)로 만들어 진 후 스레드(Thread)에서 명령이 실행되는 것 입니다, 여기서 스레드란 명령어가 CPU를 사용하여 실행되는 단위로 정의 할 수 있습니다. (그밖에 많은 복잡한 이야기들이 있지만 여기서는 이정도 까지만 이해하시면 되겠습니다)

우리가 컴퓨터를 사용할 때 우리는 모르지만 네트워크 처리, HDD 처리, 커널에서의 작업, 응용프로그램 처리 등등 너무나도 많은 작업들이 동시 다발적으로 이뤄지고 있습니다. 다른 예로, 사용자가 인터넷에서 파일을 다운로드 하면서 Word와 WMP를 함께 사용하는 경우도 생각해 볼 수 있습니다. 이러한 것들은 모두 스레드 단위로 작업이 이뤄지며 작업에 따라 스레드 처리 시간이 길수도 짧을 수도 있습니다.

일상 생활에서도 금방 끝나는 일이 있고 오래 걸리는 일들이 있듯이 스레드도 처리 하는데 시간이 긴 작업과 짧은 작업들이 섞여 있는데 만약 그림처럼 CPU에서 하나의 스레드가 끝날 때까지 다른 스레드들은 기다려야 한다면 스레드 A가 끝날 때 까지는 스레드 B, C는 기다리고만 있어야 할 것 입니다.

 

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[그림 2]

위 그림 2처럼 하나의 스레드가 자신의 명령이 끝날 때가지 계속 CPU 독점해서 사용한다고 하면 오랜 시간 동안 다른 스레드들(프로그램)이 실행되지 못할 것입니다, 그렇게 되면 다른 프로그램의 성능에 영향을 주겠죠? 특히 스레드 B의 입장에서는 잠시 CPU를 사용하면 금방 끝날 일인데 앞에서 스레드 A의 작업이 끝나기를 기다려야 하니 답답한 노릇일 것입니다.

그래서 좀더 효율적으로 동시 작업이 가능 하도록 하나의 스레드가 시작해서 끝날 때까지 무작정 CPU를 사용하는 것이 아니고 그림 3. 처럼 스레드의 실행 시간을 짧은 시간 단위로 잘라낸 뒤 순서대로 세워 놓고 실행하다 자신에게 할당된 시간이 끝나면 하던 일을 멈추고 다음 스레드에게 CPU를 사용할 수 있도록 한 뒤 다시 자기 차례가 돌아오면 자신의 일을 다시 합니다. 스레드가 CPU를 얼마 동안 사용할지를 정의한 시간 단위를 바로 퀀텀(Quantum)이라고 합니다. 그러면 그림에서처럼 스레드 B는 다음 순번에서 바로 작업을 끝낼 수 있습니다. (그림 3의 ‘A B C A B C A C A C A A A’ 순서를 보시면 이해가 좀 쉬우실 것입니다)

 

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[그림 3]

이 퀀텀을 사용자가 길게도 혹은 짧게도 설정 할 수 있는데 이것이 바로 ‘프로세스 사용 계획 옵션’입니다. 그래서 ‘프로그램’으로 설정하면 모든 스레드의 퀀텀을 짧게(6, 대략 2 Click) 설정하고 반대로 ‘백그라운드 서비스’로 설정하면 길게(36, 대략 12 Click) 설정 합니다.

그렇다면 퀀텀(스레드 실행 시간)을 짧게 혹은 길게 설정 하는 것은 어떤 차이가 있을까요?

차이와 그에 따른 장단 점을 이해 하시려면 Context Switch라는 의미를 이해 해야 합니다.

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[그림 4, Context Switch]

그림 4.와 같이 퀀텀에 정의된 시간이 끝나 CPU를 떠나야 하는 스레드 A는 CPU를 떠나기 전에 자신이 어디까지 작업을 했는지를 저장합니다, 그래야 다음 차례에 다시 A가 실행될 때 앞에서 마지막으로 진행했던 부분부터 다시 시작 할 수 있기 때문입니다, 또한 B는 자신이 앞에서 실행 했던 부분부터 다시 시작 하기 위해 앞에서 저장했던 실행정보를 불러옵니다, 바로 이런 일련의 작업을 컨텍스트 스위치(Context Switch)라고 합니다.

이 Context Switch 자체는 미약(?)하기는 하지만 전체적으로 보면 성능에 영향을 줄 수 있는 작업입니다. 그래서 만약 다른 작업은 거의 없고 CPU에서 스레드를 처리하는데 긴 시간이 필요한 단일 응용프로그램(SQL Server 혹은 그래픽 랜더링 작업 같은)만 실행하는 환경이라면 ‘백그라운드 서비스’로 설정해 Context Swith를 최소화하고 해당 프로그램의 스레드가 긴 시간 CPU를 사용 할 수 있도록 하는 것이 효과적일 것입니다.

반대로 일반 사용자의 컴퓨터 사용 패턴은 아주 소소한 아이콘 클릭 같은 작업을 포함해 IE같은 웹 브라우저 사용과 함께 음악을 듣는 것과 같이 동시에 여러 프로그램을 실행하는 패턴을 보입니다. 이런 경우 스레드에 긴 시간을 주면 스레드가 끝나기를 기다리는 시간이 오래 걸리기 때문에 다른 작업으로 넘어가는데 시간이 걸려 반응속도를 늦출 수 있지만, 일정한 시간 내에 여러 스레드들이 실행 될 수 있도록 퀀텀을 작게 설정하면 사용자 측면에서 반응속도를 높일 수 있습니다..

두 옵션은 아래와 같이 정의 할 수 있습니다
프로그램: 여러 작업을 동시에 수행하는 일반 사용자 환경에서 쾌적한(?) 반응 속도를 보여준다.
백그라운드 서비스: 계속해서 한가지 작업을 실행하는 응용프로그램을 실행 하는 경우 높은 처리 효율을 가진다.
* 이 두 옵션을 그 반대의 환경에 설정하였다면 반드시 나쁘다고는 말할 수 없겠지만 성능 효율면에서는 떨어질 것입니다.

그래서 기본적으로 Windows 2000 Professional, XP, Vista그리고 Windows 7과 같이 일반 사용자를 위한 Windows 클라이언트에서는  ‘프로그램’으로 설정 되어 있으며 Windows Server 2000, 2003, 2008에서는 ‘백그라운드 서비스’로 설정 되어 있습니다. 만약 윈도우 클라이언트지만 그래픽 랜더링 작업 같이 CPU를 많이 사용하는 하나의 작업을 주로 사용하는 환경이라면 ‘백그라운드 서비스’를 선택 할 수 있을 것이고 반대로 윈도우 서버지만 클라이언트 환경같이 사용한다면 ‘프로그램’ 옵션을 선택하면 성능에 효과적일 것입니다.

조금 자세한 추가 설명
‘프로그램’으로 설정 되어 있으면 스레드는 2 Clock interval 기간 동안 실행이 가능하며 ‘백그라운드 서비스’는 12 Clock interval 기간 동안 실행할 수 있습니다.

퀀텀에서는 Clock interval의 3배수로 설정됩니다, 그래서 ‘프로그램’으로 설정 되어 있으면 Short 값인 6(‘실제 Clock 2개’ x 3배수)을 가지고, ‘백그라운드 서비스’로 설정 되어 있으면 퀀텀 Long 값인 36(‘실제 Clock 12개’ x 3배수)을 가집니다. 그래서 클럭인터럽트가 걸릴 때마다 퀀텀 값을 3단위로 줄여가 결국 0이 되면 일단 그 스레드가 이번에 실행될 시간은 모두 끝내고 기다리고 있던 다음 스레드가 실행 되도록 합니다.

이해를 돕고자 상당 부분 단순화 썼습니다. 좀더 자세한 정보가 필요하신 분들께서는 Windows Internals의 Thread 부분을 참고 하시기 바랍니다.

[참고문서]
Windows Internals 4’th, Chapter 6, Controlling the Quantum

Comments

  • Anonymous
    January 01, 2003
    먼저 의견 감사드립니다 :) 말씀하신 의견 저도 동감합니다, 그래서 개인적으로도 어떤 용어와 설명을 쓰는게 좋을까 고민해보았습니다만 참 어렵더군요.. 어려운 의미를 단순한 용어나 한두줄 설명으로 전달하는게 쉽지 않은 일인것 같습니다 ^^; 아마 처음 이 용어를 붙인 사람들도 같은 고민을 했었겠지요.. 혹시 프로세스 사용 계획의 용어들을 쉽게 이해할 수 있는 대체 아이디어가 있으시면 말슴해주십시오, 한번 적용될수 있도록 노력해 보겠습니다! :)

  • Anonymous
    January 01, 2003
    위의 이야기가 선점형 스케줄링을(Preemptive Scheduleing)을 설명한것 입니다. 혹시 'Thread 우선 순위'와 혼돈 하시는것 아닌가 싶습니다. 각 Thread는 32개의 우선순위를 가지는데 만약 우선순위가 높은 Thread가 Thread 상태에서 준비(Ready)에 올라오면 높은 우선순위가 끝나고 난 뒤에야 낮은 스레드가 실행 될 수 있습니다. 단순한 이해를 위해 높은 우선순위라함은 마우스같은 I/O 작업이 될 수 있습니다. 둘다 공존 합니다.

  • Anonymous
    January 01, 2003
    찾아 주셔서 감사합니다 ^^ Internal한 내용은 앞으로도 계속 될 예정이니 자주 찾아 주세요 :)

  • Anonymous
    June 13, 2009
    프로그램과 백그라운드의 의미가 이런 것이었군요. ;) 좋은 설명 감사합니다. 많은 도움이 되었습니다. ;)

  • Anonymous
    June 15, 2009
    허허 컴퓨터과학과 졸업했습니다만 저걸 보고 컨텍스트 스위치 고려해서 진실을 이해하는 사람은 몇이나 될지 궁금합니다. 이 글이 사실이라면 보는 사람이 잘못된 이해를 하고 있는 게 아니라 윈도우의 설명이 오해의 소지가 매우 높아서 설명 자체가 바뀌어야 할 문제인 거 같네요

  • Anonymous
    June 16, 2009
    이런것이였군요! 지금까지 잘 모르고 있었는데. 감사합니다!

  • Anonymous
    December 24, 2009
    안녕하세요. 글을 보고 의문이 생겨 질문을 드립니다. 윈도우는 기본적으로 선점형 OS로 알고 있습니다. (3.1 제외) 그림2와 같이 동작 한다면 비선점형 이라는 말이 되는데 어떻게 된건지 궁금하네요.