파이썬 합성 프로그래밍 환경

오늘은 요새 여러 블로그에서 인기를 끌고 있는
파이썬 합성 프로그래밍 환경(Synthetic Programming Environment for Python)
에 대해 간단한 리뷰를 해 봅니다.

그동안 파이썬에서 행렬 계산은 Numeric/NumPy, 기타 과학 연산은
SciPy 등 속도가 필요한 분야에 대한 해결책을 대체로 제시하고 있었지만
동적계획법(Dynamic Programming)이나 몬테카를로 시뮬레이션 같이 비교, 분기가 대량으로
발생하는 경우 파이썬만 가지고는 도저히 어떻게 해 볼 수 없는 한계가 어느 정도 있었습니다.
Pyrex는 뭔가 좀 답답하고 Psyco는 썩 만족스러운 단계까지
올라가지도 않고, 결국에 눈물을 머금고 C로 주요 코드를 짤 수 밖에 없었습니다.

그래서 몇 군데에서 시도했던 것이 파이썬에서 직접 어셈블리 코드를 실행시간에 생성해서
실행할 수 있는 JIT 어셈블러들이 등장했었는데요. 파이썬 코드랑 어셈블리랑 어색하게 결합하고
있다보니 인라인 어셈블리쓴 C보다 훨씬 더 어색해서 별로 쓰기가 유쾌하지는 않았지요.

합성 프로그래밍 환경(SPE)는 이걸 좀 더 우아하게 해결해보려는 라이브러리 입니다.
OpenSSL에서 사용하는 perlasm같이 스크립트 언어의 자체 문법으로
약간은 추상화된 방법으로 명령을 작성하면, 그 코드가 실행되면서 어셈블리 코드가 생성되고
그게 결국 실행되는 방법입니다. 너무 추상화하면 C나 다름 없으니, 거의 1:1로 맞춰볼 수 있을 정도로
간단하게 처리했지만, 사실 “합성(synthetic)”이란 말에서 드러나듯, 파이썬 문법에 대체적으로
끼워넣어서 재사용성을 매우 높일 수 있다는 점이 장점입니다.

간단한 perlasm에서도 풀어쓰기(unroll)이나 스택 셋업, 인수 대량 전달, 디버그 출력,
클린업 같이 많은 작업들을 라이브러리화 해서 쓰고 있어서, 실제 생성되는 최종 어셈블리 코드보다
훨씬 사람이 보기 쉽고 재사용할 수 있는 코드를 씁니다. SPE에서는 perlasm에서 쓰는 것 뿐만 아니라
벡터연산을 훨씬 쉽고 간단하게 쓸 수 있게 해 주기도 하고, 간단하고 단순노동적인 조건문이나
오프셋 계산 같은 것들을 우아하고 보기 쉽게 쓸 수 있도록 해 줍니다. 게다가 파이썬 코드
안에서 섞어 쓸 수 있기 때문에, 귀찮게 왔다갔다 할 필요도 없습니다.

결국, SPE의 모토는 “Skipping C”라고 하는데, 두 가지 의미가 있습니다. 하나는 원래 파이썬이
C언어로 된 인터프리터, 익스텐션 라이브러리, 컴파일러 등을 통해서 기계어로 실행(+번역)되어
왔는데, 이를 건너뛰어서 그냥 파이썬에서 바로 기계어를 쓰자는 의미로 볼 수 있고,
나머지 하나는 개발할 때 C언어로 개발할 필요를 많이 줄여서 C는 쓰지 말자 뭐 이런 의미로
볼 수도 있겠죠. 즉, 평소같으면 C로 상당수 기반을 만들어서 파이썬에서 사용하는 방식을 채택할
경우라도 파이썬과 SPE에서 제공하는 어셈블리를 쓰면 C 안 쓰고도 비슷하거나 빠른 속도를
낼 수 있다는 얘기입니다.

많은 분들이 이쯤 되면, 속도가 상당히 궁금하실텐데, 간단하게 1000만까지 숫자를 더하는 프로그램을
작성했을 때, 파이썬으로 작성된 코드가 3.64초, 내부 코드 및 자료구조가 모두 C로 작성된
NumericPython으로 0.054초, SPE로 0.019초라고 합니다. (SIMD는 사용하지 않음)
요새 C 컴파일러가 좋긴 하지만, 사람은 알고리즘까지도 변경하면서 최적화할 수 있고, 굳이
프로파일링 하지 않고도 어느 정도까지는 분기 수요를 예측할 수 있다는 점 때문에
아무래도 같은 시간 노력하면 짧은 코드는 SPE로 하는 어셈블리가 C보다 이렇게 빠를 수 있지 않을까 싶군요.
(물론, 요새 유행하는 프로파일링 컴파일러를 빡시게 돌리면 C나 SPE나 결국 비슷한 최고속도에 도달하겠지만요.)

SPE가 주 대상으로 하는 것은 아무래도 과학계산과 멀티미디어 연산이 되겠지만, 사실 과학연산에서
어셈블리를 다룰 정도로 컴퓨터 구조에 대한 지식이 있는 연구자의 수가 그렇게 많지 않은 것을 생각해 보면
기계 지식없이도 어셈블리를 쉽게 할 수 있게 라이브러리가 많이 확충되어서 “합성”만 해도 프로그램이 되면 아주 좋겠네요.
물론, 파이썬에서 도저히 어떻게 해결할 방법이 없던 한가지 프로그램 주제를 비교적 깔끔하게 해결해버렸다는
점에서는 벌써 상당한 가치가 있는 시도로 보입니다.

(참고사항: SPE의 구현인 CorePy는 현재 PowerPC만 지원하고 있고, 라이선스도 오픈소스가 아니라 시험용으로만
사용할 수 있는 라이선스이기 때문에, 이걸로 당장 뭔가 해 보기는 힘듭니다. 🙂