02. 컨택스트 스위칭

Last updated - 2023년 05월 02일 Edit Source

유튜버 쉬운코드 님의 운영체제 강의를 정리한 내용

컨택스트 스위칭 (Context Switching)

• CPU/코어에서 실행 중이던 프로세스/스레드가 다른 프로세스/스레드로 교체되는 것

프로세스 → 프로세스로 교체된다는 것은 엄밀히 말하면, 어떤 프로세스 안에서 실행되던 스레드가 다른 프로세스 안에 실행되는 스레드로 바뀐다는 의미이다. 서로 다른 프로세스에 속한 스레드가 바뀌는 것이기에 이때는 프로세스가 교체된다고 한다.

컨택스트 (Context)

• CPU에서 혹은 메모리에서 프로세스/스레드의 상태

컨택스트 스위칭은 왜 필요할까?

• 여러 프로세스/스레드를 동시에 실행시키기 위해서 필요

컨택스트 스위칭은 언제 발생하는가?

• 주어진 time slice(quantum)를 다 사용했을 때
• IO 작업을 해야할 때
• 다른 리소스를 기다려야할 때
• 기타 등등

ex) 멀티태스킹 시스템에서 컨택스트 스위칭

컨택스트 스위칭은 누구에 의해 실행되는가?

• OS 커널(kernel)
  • 각종 리소스를 관리/감독하는 역할
  • 커널이 통제권을 가지고 실행한다고 이해
• 컨택스트 스위칭의 총괄하는 주체에 관한 것인지, 이 컨택스트 스위칭을 누가 발생하는가, 누가 트리거하는가와는 다른 것이다.

컨택스트 스위칭은 구체적으로 어떤 과정으로 일어나는가?

• 다른 프로세스끼리 스위칭인지
  • Process Context Switching
• 같은 프로세스의 스레들끼리 스위칭인지에 따라 다름
  • Thread Context Switching

Process Context Switching과 Thread Context Switching 공통점

1. 커널 모드에서 실행
2. CPU의 레지스터 상태를 교체

커널 모드에서 실행

• 프로세스 P1이 실행되다가, 하드웨어와 밀접한 일들, 혹은 컴퓨터에 있는 여러 리소스들을 다뤄야하는 상황이 왔을 때
• 프로세스가 직접 컴퓨터의 리소스에 접근하는 것이 아니라 운영체제의 커널을 통해 접근하게 됨
• 커널 모드 : 프로세스에서 커널로 통제권이 넘어가서 커널에 의해서 실행되는 것
  • 프로세스 컨택스트 스위칭이건, 스레드 컨택스트 스위칭이건, 컨택스트 스위칭은 통제권이 커널로 넘어가서 커널 모드에서 실행하게 됨

CPU의 레지스터 상태를 교체

• CPU 안에 여러 레지스터가 존재
  • 레지스터는 각종 명령어들을 수행하기 위해 필요한 여러 데이터를 저장하는 곳
• 프로세스(P1)가 실행되는 동안 CPU의 레지스터는 여러 값들이 계속 바뀌면서 실행되고 있었을 것
• 다른 프로세스(P2)가 실행되게 되면 기존에 실행 중이던 프로세스(P1)의 레지스터 상태들을 어딘가에 저장하고 실행하는 것
  • 나중에 다시 P1을 실행하게 됐을 때 어디까지 실행했는지에 대한 레지스터의 상태 정보를 알고 있어야 이어서 실행할 수 있으니까

Process Context Switching과 Thread Context Switching 차이점

• 프로세스 컨택스트 스위칭은 가상(virtual) 메모리 주소 관련 처리를 추가로 수행
  • 서로 다른 프로세스는 메모리 주소 체계가 다르기 때문임
  • MMU (Memory Manage Unit, 메모리 관리 장치) 도 새로운 프로세스의 주소 체계를 바라볼 수 있도록 수정해야 함
  • TLB (Translation Lookaside Buffer, 변환 색인 버퍼) 도 비워야 함
• 스레드 컨택스트 스위칭은 가상 메모리 주소 관련 처리 추가작업 필요 ❌
  • 같은 프로세스에 속하는 스레드끼리 컨택스트 스위칭은 같은 프로세스에 속하기 때문에 그 프로세스의 메모리 영역을 공유한다고 했었음
  • 그래서 컨택스트 스위칭이 발생해도 메모리 관련하고 추가 작업 필요 ❌

TLB는 범위 밖이라 자세히 다루지는 않고 간단하게만 하겠음
가상 메모리 주소와 실제 메모리 주소의 매핑 정보를 가지고 있는 캐시를 의미

스레드 컨택스트 스위칭

프로세스 컨택스트 스위칭

• MMU, TLB 작업을 반드시 수행해야함.
• 예를 들어, P2가 실행됐을 때 이 작업이 수행되지 않았다면 P1의 메모리 주소로 잘못 접근하는 일이 발생할 수 있음

스레드 컨택스트 스위칭이 더 빠른 이유?

• 프로세스 컨택스트 스위칭과는 다르게 스레드 컨택스트 스위칭은 같은 메모리 공간을 공유하기 때문에 메모리 주소 관련 처리를 하지 않기 때문

캐시 오염 (cache pollution)

• 컨택스트 스위칭이 미치는 간접적인 영향을 의미
• 컨택스트 스위칭이 발생하면 서로 다른 데이터들이기 때문에 컨택스트 스위칭 직후에 캐시에 가봤자, 어차피 캐시에는 이전의 프로세스 혹은 스레드에서 실행됐던 정보를 가지고 있을 것
• 그래서 내가 원하는 데이터를 찾으려면 다시 메모리까지 가야하고, 처리 속도가 떨어져서 성능에 안좋은 영향을 끼치게 됨

유저 관점에서 컨택스트 스위칭은 어떤 의미?

• 순수한 (pure) 오버헤드 (overhead)
• 내가 실행한 프로그램의 동작과는 전혀 상관없는 순수하게 CPU를 잡아먹는 간접비용
• 따라서, 컨택스트 스위칭이 많이 일어나는 것은 좋은 것이 아니다.