오버헤드
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1. 개요
오버헤드는 어떤 작업을 수행하는 데 필요한 주된 작업 외에 추가적으로 소모되는 자원이나 비용을 의미한다. 오버헤드는 시간, 공간, 통신, 연산 등 다양한 유형으로 발생하며, 소프트웨어 설계, 하드웨어 구성, 통신 시스템, 인코딩 및 데이터 구조 등 여러 요인에 의해 발생한다. 소프트웨어 개발에서는 알고리즘, 자료 구조, 인코딩 방식의 선택에 따라 오버헤드가 달라지며, 하드웨어에서는 캐시 크기가 오버헤드와 관련된다. 통신 시스템에서는 데이터 전송을 위한 제어 신호가 오버헤드로 작용하며, 파일 시스템은 파일 외에 추가 정보를 저장하기 위해 공간 오버헤드를 발생시킨다.
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2. 오버헤드의 개념 및 유형
오버헤드는 소프트웨어 공학에서 특정 작업을 직접 수행하는 것 외에 추가로 발생하는 모든 간접 비용을 의미한다. 예를 들어, 새로운 기능을 추가할지, 아니면 기존의 버그를 수정할지를 결정할 때 오버헤드가 고려 대상이 될 수 있다. 오버헤드가 큰 기능은 추가되지 않거나, 큰 재정적 이득이 있어야만 추가될 수 있다. 소프트웨어 회사는 제품의 버그를 알고도 오버헤드 때문에 수정하지 않을 수 있다.
공간 오버헤드를 줄이기 위해 암시적 자료 구조나 간결 자료 구조를 사용할 수 있지만, 이는 성능 저하를 야기할 수 있다(공간/시간 트레이드오프).
2. 1. 시간 오버헤드
함수를 호출하면 약간의 런타임 오버헤드가 발생한다.[2] 때로는 컴파일러가 이러한 함수 호출 중 일부를 인라인하여 이 오버헤드를 최소화할 수 있다.[3]2. 2. 공간 오버헤드
정보와 데이터의 인코딩은 오버헤드를 발생시킨다. 날짜와 시간 ''"2011-07-12 07:18:47"''는 32비트 부호 있는 정수1310447927를 사용하여 유닉스 시간으로 표현할 수 있으며, 이는 4바이트만 소모한다. ISO 8601 형식의 UTF-8 인코딩된 문자열 리터럴 2011-07-12 07:18:47로 표현하면, 이 날짜는 19바이트를 소모하며, 이는 바이너리 정수 표현에 비해 375%의 크기 오버헤드를 발생시킨다. XML로 표현하면 이 날짜는 218자의 오버헤드로 작성될 수 있으며, CHANGEDATE이고 인덱스가 1이라는 의미론적 문맥이 추가된다. UTF-8 인코딩된 XML에서 발생하는 349바이트는 원래의 정수 표현에 비해 8625%의 크기 오버헤드에 해당한다.컴퓨터 파일 시스템은 파일 자체 외에도 디렉터리 이름과 목록, 파일 이름, 파일의 섹터 위치, 마지막 수정 및 생성 날짜 및 시간과 같은 속성, 파일이 조각화된 방식, 공간의 쓰기 및 빈 부분, 그리고 일부 파일 시스템의 저널을 저장하기 위해 공간의 일부를 사용한다.
많은 수의 작은 파일은 소수의 큰 파일보다 더 많은 오버헤드를 발생시킨다.
2. 3. 통신 오버헤드
TCP을 사용하는 통신 네트워크에서 페이로드 데이터를 안정적으로 전송하려면, 페이로드 자체 외에도 목적지에 도달하는 데 필요한 다양한 제어 및 신호 데이터를 전송해야 한다. 메시지의 본질적인 의미에 기여하지 않는 이러한 추가 데이터는 '''프로토콜 오버헤드'''를 발생시킨다.[5][6]전화에서 전화번호를 누르고 통화 설정 시간은 오버헤드에 해당한다. 양방향(하지만 반이중 방식) 무전기에서 "over"와 충돌을 피하기 위해 사용하는 신호 또한 오버헤드이다.
프로토콜 오버헤드는 비애플리케이션 바이트(프로토콜 및 프레임 동기화)의 백분율을 메시지의 총 바이트 수로 나눈 값으로 표현할 수 있다.
3. 오버헤드 발생 원인 및 최소화 방법
오버헤드는 다양한 요인에 의해 발생하며, 시스템 설계 및 구현 단계에서 적절한 최적화 기법을 적용하여 최소화할 수 있다.
빅 오 표기법은 알고리즘 복잡도를 나타내는 데 사용된다. 빅 오 표기법은 실행 시간이나 메모리 사용량은 명시하지 않지만, 입력 크기에 따라 얼마나 증가하는지를 나타낸다. 오버헤드는 기계마다 다르기 때문에 알고리즘의 근본적인 실행 시간과는 달리 이 계산에서 의도적으로 제외된다. 이는 모든 종류의 자원을 고려하는 알고리즘 효율성과 대조된다. 알고리즘 효율성은 복잡도와 오버헤드의 조합이다.
함수를 호출하면 약간의 런타임 오버헤드가 발생한다.[2] 컴파일러는 때때로 이러한 함수 호출 중 일부를 인라인하여 이 오버헤드를 최소화할 수 있다.[3]
3. 1. 소프트웨어 설계
프로그래머나 소프트웨어 엔지니어는 각기 고유한 특징을 가진 여러 알고리즘, 인코딩, 자료형, 자료 구조 중에서 선택할 수 있다. 이들 중에서 선택할 때는 각 구현 방식의 오버헤드도 고려해야 한다.소프트웨어 공학에서 오버헤드는 새로운 제품에 기능을 포함할지, 또는 버그를 수정할지 여부에 대한 결정에 영향을 미칠 수 있다. 오버헤드가 높은 기능은 포함되지 않거나, 그렇게 하기 위한 큰 재정적 인센티브가 필요할 수 있다. 소프트웨어 제공업체는 자사 제품의 버그를 잘 알고 있음에도 불구하고 오버헤드 때문에 버그를 수정하는 것이 그만한 가치가 없을 수도 있다.
예를 들어, 암시적 자료 구조 또는 간결 자료 구조는 낮은 공간 오버헤드를 제공할 수 있지만, 이는 느린 성능을 대가로 한다(공간/시간 트레이드오프).
3. 2. 하드웨어 구성
CPU 캐시에서 "캐시 크기"(또는 '''용량''')는 캐시가 얼마나 많은 데이터를 저장하는지를 나타낸다. 예를 들어, "4KB 캐시"는 4KB의 데이터를 저장하는 캐시이다. 이 "4KB"는 프레임, 주소, 태그 정보와 같은 오버헤드 비트를 제외한 것이다.[1]3. 3. 통신 시스템
통신 네트워크를 통해 페이로드 데이터를 안정적으로 전송하려면 페이로드 자체만 전송하는 것 이상으로, 목적지에 도달하는 데 필요한 다양한 제어 및 신호 데이터(TCP)를 전송해야 한다. 이는 메시지의 본질적인 의미에 기여하지 않는 추가 데이터로 인해 '''프로토콜 오버헤드'''를 발생시킨다.[5][6]전화에서 전화번호 다이얼링 및 통화 설정 시간은 오버헤드이다. 양방향(하지만 반이중 방식) 라디오에서 "over"와 충돌을 피하는 데 필요한 기타 신호를 사용하는 것도 오버헤드이다.
프로토콜 오버헤드는 비애플리케이션 바이트(프로토콜 및 프레임 동기화)의 백분율을 메시지의 총 바이트 수로 나눈 값으로 표현할 수 있다.
3. 4. 인코딩 및 데이터 구조
정보와 데이터의 인코딩 역시 오버헤드를 발생시킨다. 날짜와 시간 ''"2011-07-12 07:18:47"''는 32비트 부호 있는 정수 code|코드영어1310447927code|코드영어를 사용하여 유닉스 시간으로 표현할 수 있으며, 이는 4바이트만 소모한다. ISO 8601 형식의 UTF-8 인코딩된 문자열 리터럴 ''2011-07-12 07:18:47''로 표현하면, 이 날짜는 19바이트를 소모하며, 이는 바이너리 정수 표현에 비해 375%의 크기 오버헤드를 발생시킨다. XML로 표현하면 이 날짜는 218자의 오버헤드로 작성될 수 있으며, CHANGEDATE이고 인덱스가 1이라는 의미론적 문맥이 추가된다. UTF-8 인코딩된 XML에서 발생하는 349바이트는 원래의 정수 표현에 비해 8625%의 크기 오버헤드에 해당한다.4. 파일 시스템 오버헤드
컴퓨터 파일 시스템은 파일 자체 외에도 디렉터리 이름과 목록, 파일 이름, 파일의 섹터 위치, 마지막 수정 및 생성 날짜와 시간 등 여러 속성, 파일 조각화 방식, 공간의 쓰기 및 빈 부분, 그리고 일부 파일 시스템의 저널을 저장하기 위해 공간의 일부를 사용한다.
많은 수의 작은 파일은 소수의 큰 파일보다 더 많은 오버헤드를 발생시킨다.
5. 한국 사회와 오버헤드
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참조
[1]
서적
Encyclopedia of Computer Science
https://dl.acm.org/d[...]
John Wiley and Sons
2003-01
[2]
웹사이트
Inline functions (C++)
https://learn.micros[...]
Microsoft
2024-01-22
[3]
웹사이트
Inlining Decisions in Visual Studio
https://devblogs.mic[...]
Microsoft
2019-07-24
[4]
웹사이트
Caches and Memory Hierarchies
http://people.ee.duk[...]
2019-03-13
[5]
뉴스
Common Performance Issues in Network Applications Part 1: Interactive Applications
http://msdn2.microso[...]
Microsoft
[6]
간행물
Protocol Overhead in IP/ATM Networks
http://www.sonic.net[...]
Minnesota Supercomputer Center
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