CPU(Control Processing Unit)가 어떤 프로세스(Process)를 실행하고 있는 상태에서
스케줄러(Scheduler)가 인터럽트(Interrupt)를 진행하여 더 높은 우선순위를 가진 프로세스가 실행되어야 할 때,
스케줄러가 레지스터(Register)에 저장된 기존 프로세스 정보 값이나 기존 프로세스 상태 값(= Context)을 커널(Kernal) 내부에 존재하는 PCB(Process Control Block)에 저장하고,
새로운 Context를 교체하는 작업을 Context Switch(Context Switching)라고 한다.
한마디로 스케줄러가 기존 실행 프로세스를 우선순위 때문에 미루고 새 프로세스로 교체해야 할 때 프로세스 상태 값을 교체하는 작업을 말한다.
프로그래밍에서 Context는 (동작, 작업들의 집합)을 (정의, 관리, 실행)하도록 하는 (최소한의 상태, 재료, 속성)을 포함하는 (객체, 구조체, 정보)이다.
OS에서 Context는 CPU가 해당 프로세스를 실행하기 위한 해당 프로세스의 정보이며, 프로세스의 PCB(Process Control Block)에 저장된다.
운영체제가 프로세스를 제어하기 위한 프로세스의 상태 정보를 저장하는 구조체이다.
프로세스 생성시 PCB 가 만들어지며 주기억장치에 저장되다가 프로세스가 완료되면 PCB도 함께 제거된다.
- 운영체제에서 프로세스는 PCB 로 표현된다.
- PCB는 프로세스 상태 관리와 context switching 을 위해서 필요하다.
- PCB 는 프로세스의 중요한 정보들을 담고 있으므로 일반 사용자는 접근하지 못하는 보호된 메모리 영역에 존재한다.
- 포인터: 프로세스의 현재 위치를 저장하는 포인터 정보
- 프로세스 상태(Process State): 프로세스가 현재 실행 중, 대기 중, 종료된 상태 등을 나타내는 정보.
- 프로그램 카운터(Program Counter): 프로세스가 실행 중인 명령어의 주소.
- 레지스터 상태: 프로세스가 사용하는 레지스터 값들.
- 스케줄링 정보: 우선순위, CPU 점유 시간, 대기 시간 등과 같은 스케줄링과 관련된 정보.
- 메모리 관리 정보: 프로세스가 사용하는 메모리 위치와 크기 등.
- 입출력 상태: 프로세스가 사용 중인 입출력 장치와 대기 중인 입출력 요청 목록 등.
- Linked List 방식으로 관리
- 프로세스가 생성될 때마다 PCB가 생성되고, 이 PCB는 PCB 리스트의 머리(Head)에 연결됨.
- 주소값으로 연결이 이루어져 있는 연결리스트이기 때문에 삽입 삭제가 용이함.
Context Switch가 발생하는 경우는 멀티태스킹, 인터럽트 핸들링, 사용자 모드와 커널 모드 간의 전환까지, 크게 3가지가 존재한다.
- 멀티태스킹(Multitasking)
- 실행 가능한 프로세스들이 운영체제의 스케줄러에 의해 조금씩 번갈아가며 수행되는 것을 말한다.
- 번갈아 가며 프로세스가 CPU를 할당 받는데 이때 Context Switching 한다.
- 사용자가 체감하기 힘든 속도로 Context Switching되며 프로세스가 처리되기 때문에 동시에 처리되는 것처럼 느껴진다.
- 인터럽트 핸들링(Interrupt handling)
- 인터럽트란 컴퓨터 시스템에서 예외 상황이 발생했을때 CPU에게 알려 처리할 수 있도록 하는 것을 말한다.
- 인터럽트가 발생하면 Context Switching한다.
- 인터럽트 종류
- I/O request : 입출력 요청
- time slice expired : CPU 사용시간이 만료
- fork a child : 자식 프로세스 생성
- wait for an interrupt : 인터럽트 처리 대기
- 사용자와 커널 모드 전환(User and kernel mode switching)
- 사용자와 커널 모드 전환은 Context Switch가 필수는 아니지만 운영체제에 따라 발생할수 있다
- 요청 발생: 인터럽트 또는 트랩에 의한 요청이 발생.(트랩은 소프트웨어 인터럽트)
- PCB에 저장: 운영체제는 현재 실행중인 프로세스(P0)의 정보를 PCB에 저장.
- CPU 할당: 운영체제는 다음 프로세스(P1)의 정보를 PCB에서 가져와 CPU를 할당.
위 그림을 보면 프로세스 P0가 실행 중인 상태(excuting)에서 유휴 상태(idle)가 될 때 프로세스 P1이 곧바로 excuting이 되지 않고 idle을 좀 더 하다가 excuting이 된다.
그 이유는 프로세스 P0의 상태를 PCB에 저장하고 프로세스 P1 상태를 PCB에서 가져와야 하기 때문이다.
이 과정에서 CPU는 아무일도 하지않는 시간이 발생하는데 이를 오버헤드(Overhead)라 하고 오버헤드가 잦아지면 성능이 떨어질수 있다.
Context Switching은 다음과 같은 이유로 사용됩니다
- 다중 작업 처리: 여러 프로세스 또는 스레드를 동시에 실행하여 멀티태스킹을 지원합니다.
- 우선순위 관리: 다양한 작업에 CPU 시간을 할당하여 중요한 작업을 처리하거나 신속한 응답을 제공합니다.
- 안정성: 프로세스 분리를 통해 하나의 프로세스나 스레드의 오류가 다른 것에 영향을 미치지 않도록 합니다.
- 대기 시간 최소화: I/O 작업과 같이 시간이 오래 걸리는 작업 중에도 다른 작업을 수행할 수 있도록 합니다.
Context Switching을 진행하는 동안 cpu는 다른 작업을 할 수 없는데(오버헤드),
보통 이 시간보다 I/O 작업이 더 오래 걸리기 때문에 Context Switching을 통해
CPU가 I/O 작업이 완료될 때까지 대기하지 않고 다른 작업을 처리할 수 있도록 하면
시스템의 전체 처리량을 최적화하고 CPU 자원을 효율적으로 활용할 수 있습니다.
동일한 프로세스 속에서 스레드는 스택(Stack)을 제외한 코드(Code), 데이터(Data), 힙(Heap) 영역을 공유합니다.
따라서, thread context switching이 발생할 경우 스택 및 간단한 정보만 변경하면 됩니다.
반면에, 프로세스 간에는 공유하는 데이터가 없으므로 process context switching이 발생할 경우 스레드의 context뿐만 아니라 프로스의 context까지 모두 변경해야 합니다.
Reference
[OS] Context Switching, PCB (Process Control Block)
콘텍스트 스위칭(Context Switching)
OS - Context Switch(컨텍스트 스위치)가 무엇인가?
Context Switching 이란?
[운영체제] Context Switch(문맥 교환)이란?
PCB & Context Switching