TIL

컨텍스트 스위칭

• 프로세스/스레드가 실행되다가 OS가 개입하여 CPU에 할당된 프로세스/스레드를 바꾸는 것
• 여러 프로세스/스레드를 동시에 실행시키기 위해 필요하다.
• 오버헤드가 발생하기 때문에 자주 일어나면 성능이 저하
• 기존 프로세스/스레드의 상태를 저장하고 새 프로세스/스레드의 저장 상태를 로드
  • ‘상태’란 곧 ‘컨텍스트’

컨텍스트

• 프로세스/스레드의 상태
• CPU, 메모리 등

컨텍스트 스위칭 발생 시점

1. 주어진 time slice(quantum)를 다 사용
2. I/O 작업을 해야할 때
3. 다른 리소스를 기다려야 할 때
4. 등

OS 커널(kernel)

• 컨텍스트 스위칭을 실행 시키는 주체
• 각종 리소스를 관리, 감독하는 역할

컴퓨터 과학에서 커널은 컴퓨터 운영 체제의 핵심이 되는 컴퓨터 프로그램으로, 시스템의 모든 것을 완전히 통제한다. 참고 - 위키

PCB (Process Control Block)

• 프로세스를 교체하고 실행하는 과정에서 PCB를 이용한다.
• PCB 구조
  • Process ID(PID): 프로세스 고유 식별 번호
  • Process State: 프로세스의 현재 상태(준비, 실행, 대기 상태)
  • Program Counter: 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소
  • Process Priority: 프로세스 우선순위 정보
  • CPU Registers: 프로세스의 레지스터 상태를 저장하는 공간
  • Memory Limits: OS에서 사용하는 메모리 관리 시스템의 정보. 페이지 테이블, 세그먼트 테이블 등이 포함될 수 있다..
  • Open File Lists: 프로세스를 위해 열린 파일 목록
  • 등
• 컨텍스트 스위칭이 발생하면 기존 프로세스 정보를 PCB에 저장하고 새롭게 실행할 프로세스의 정보를 PCB에서 가져와 CPU 레지스터에 적재한다.

컨텍스트 스위칭 과정

1. 현재 실행 중인 프로세스 혹은 스레드의 context 백업 (PCB)
2. CPU 캐시를 비움
   1. CPU마다 L1, L2 캐시 동작이 다를 수도 있고 안 비울 수도 있다.
3. TLB를 비움
4. MMU를 변경
   • 프로세스 컨텍스트 스위칭은 위 4가지 과정을 모두 수행하지만 스레드 컨텍스트 스위칭은 1번만 수행한다.

프로세스 간, 스레드 간 컨텍스트 스위칭 공통점

1. 커널 모드에서 실행
   1. 통제권이 커널에게 넘어감
2. CPU의 레지스터 상태를 교체
   1. 레지스터는 각종 명령어들을 실행하기 위해 필요한 데이터를 저장하고 있음

스레드 컨텍스트 스위칭

• T1이 작업 수행 → 커널 모드 시작 → T1의 상태 저장 → T2의 상태 로딩 → 커널 모드 종료 → T2 작업 시작
• 스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기에 Stack 영역만 변경하면 된다.

프로세스 컨텍스트 스위칭

• P1(T1)이 작업 수행 → 커널 모드 시작 → P1(T1)의 상태 저장 → P2(T2)의 상태 로딩 → {메모리 관련 처리 추가} → 커널 모드 종료 → P2(T2)작업 시작
• 메모리 관련 처리를 추가로 수행
  • MMU( Memory Management Unit)가 P2 메모리 주소 영역 보도록 변경
  • TLB를 완전히 비움
• 프로세스들 간에는 서로 메모리 주소 공간에 침범하면 안되기 때문

MMU(Memory Management Unit) 런타임 중에 가상 주소를 물리적 주소를 매핑하는 하드웨어 디바이스이다. 사용자 프로그램은 논리적 주소를 다루고 물리적 주소를 신경 쓰지 않는다.

TLB(Translation Lookaside Buffer) 가상 메모리 주소를 물리적인 주소로 변환하는 속도를 높이기 위해 사용되는 캐시

스레드 컨텍스트 스위칭이 빠른 이유

• 메모리 주소 관련 처리는 하지 않음
• 캐시를 재사용할 수 있음

캐시 오염

• 컨텍스트 스위칭이 미치는 간접적인 영향
• CPU는 자주 쓰는 데이터는 메모리가 아닌 캐시에 적재한 뒤 사용한다.
• 컨텍스트 스위칭 직후엔 캐시에 가봤자 이전 프로세의 정보만 있다.
  • 스레드 간 스위칭이라면 같은 프로세스 내의 메모리를 공유해서 의미가 있을 수도 있다.
• 캐시를 활용하지 못하기에 성능이 떨어진다.

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Operating System Concepts - Tenth Edition

https://www.youtube.com/watch?v=Xh9Nt7y07FE

https://blog.naver.com/PostView.naver?blogId=kgr2626&logNo=222147205118&redirect=Dlog&widgetTypeCall=true&directAccess=false

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