컨텍스트 스위칭에는 프로세스 컨텍스트 스위칭과 스레드 컨텍스트 스위칭이 있다.
한번 알아보자!
(1) 프로그램이 진화하면 프로세스가 됨
프로그램 (Program)
- 실행되기 전 상태의 명령어들의 집합
- 운영체제가 실행할 수 있는 명령어들의 집합
Ex)실행프로그램.exe
프로세스 (Process)
- 실행중인 프로그램
Ex)Ctrl+Alt+Delete 누르면 나오는 실행중인 프로그램들 - 메모리(RAM)에 적재되어 CPU가 실행중인 프로그램
- 각각의 프로세스는 독립적인 메모리공간을 할당받음
프로세스는 위 그림과 같이 코데힙스라고 불리는 메모리 구조와
운영체제(OS)가 프로세스를 관리하는데 사용하는 PCB(Process-Control-Block)라고 하는 자료구조를 갖고 있다.
코데힙스(Code/Data/Heap/Stack)에서 코드(Code)는 Text 영역과 같다.
(2) 여러 프로그램을 동시에 실행하고 싶어
호랑이 담배피던 시절에는 하나의 프로세스가 끝나야 다음 프로세스가 실행이 될 수 있었다고 한다.
이게 무슨말이냐면 게임하다가 카톡하려면 게임을 끄고 카톡을 켜야한다...😇
그림과 같이 CPU가 메모리에 적재된 여러 프로세스들을 실행할 때, 굉장히 짧은 시간을 번갈아가면서 프로세스들을 실행시키도록 만들었다. → 멀티태스킹(Multi-Tasking)
이와 같은 시스템(멀티 태스킹)의 등장으로 우리는 동시에 여러 프로그램이 실행되는 것처럼 느낄 수 있게 되었다!
(3) 이때, 스레드(Thread) 등장!
여러 프로세스를 동시에 실행하는건 좋았지만, 그만큼 CPU의 부하와 독자적인 메모리공간을 갖고 있기 때문에 메모리 자원도 많이 차지하였다. 메모리 공간을 공유하기에도 까다로웠고..!
그래서 나온게 바로 스레드(Thread)!
3-1) 스레드(Thread)
- 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위이다.
- ✨ 같은 프로세스내에 스레드들은 메모리 영역 (Stack 제외)을 공유하고 있다.
→ 추후 동시성문제와도 연결됨 - 각 스레드(Thread)는 독자적인 Stack 영역을 갖고 있다.
- 하나의 프로세스에는 반드시 하나 이상의 스레드를 갖고 있다.
옛날에는 CPU 실행 단위가 프로세스였지만,
이제는 스레드가 CPU에서 실행되는 단위(unit of execution)가 된다.
3-2) 스레드와 프로세스의 차이점
- 프로세스는 각각의 독립적인 메모리영역이 있고, 스레드는 공유되는 메모리영역(Stack 제외)이 있다.
- 스레드는 메모리영역을 공유하기 때문에 안정성이 비교적 떨어질 수 있다.
→ 하나의 스레드에 오류가 나면 다른 스레드까지 영향이 간다.
✨ (4) 그래서 컨텍스트 스위칭, 그게 뭔데?
위에서 말했듯 멀티태스킹 환경에서 프로세스들이 짧은 시간을 번갈아가며 실행되는 메커니즘을 컨텍스트 스위칭(Context-Switching)이라고 한다.
4-1) 컨텍스트 (Context)가 뭔가요?
- 프로세스나 스레드의 현재 상태를 의미한다.
- 프로세스나 스레드가 다시 시작할 때 필요한 정보를 담고 있다.
- CPU의 레지스터 상태(프로그램 카운터, 스팩 포인터), 메모리의 상태가 포함된다.
4-2) 컨텍스트 스위칭이 필요한 이유는?
(2)에서 설명했듯이 멀티태스킹 시스템에서 CPU가 짧은 시간 단위로 작업을 전환하여 여러 작업을 처리하는데, 컨텍스트 스위칭을 통해 시스템 자원을 효율적으로 처리할 수 있기 때문에 필요하다!
4-3) 컨텍스트 스위칭이 발생하는 시점은?
- 각 프로세스나 스레드에게 할당된 CPU 시간이 끝났을 경우
- 프로세스나 스레드가
I/O 작업을 수행해야 할 경우I/O 작업: CPU가 직접 연산하지 않고, 외부 자원을 기다리는 작업
- 더 높은 우선순위의 작업이 발생할 경우
4-4) 컨텍스트 스위칭을 수행하는 주체는?
운영체제(OS)의 커널(Kernel)이다.
커널은 시스템 자원을 관리하고 프로세스 및 스레드의 상태를 조정하여 효율적인 작업 처리를 담당한다.
4-5) 프로세스와 스레드 컨텍스트 스위칭 공통점
- 커널 모드에서 실행: 항상 운영체제의 커널모드에서 실행이 된다.
- 다음작업으로 넘어갈 때: 현재 작업중인 상태를 저장하고, 다음 상태의 작업을 불러온다.
✅ (5) 스레드 컨텍스트 스위칭이 더 빠르다!
같은 프로새스내에 스레드 컨텍스트 스위칭은 메모리 영역이 공유되기 때문에 추가적인 작업이 발생하지 않는다. 반면에 프로세스 컨텍스트 스위칭은 가상 메모리 영역을 설정받고 할당받아야 되는 작업이 필수적이다.
따라서 스레드 컨텍스트 스위칭이 더 빠르다!
5-1) 스레드 간 Context Switching이 프로세스보다 빠르다고 했는데, 왜 항상 스레드를 쓰지 않고 프로세스를 병렬로 실행하는 경우도 있는건가요?
- 스레드는 메모리를 공유하므로 안정성이 비교적 떨어진다.
하나의 스레드 오류가 다른 스레드에게까지 영향이 가기 때문이다. - 요즘은 멀티코어 환경이라 프로세스 단위 병렬 실행도 충분히 빠르기 때문에 쓰지 않는 이유도 있다고 한다.
- 디버깅이 더 복잡하다.
예를 들어 공유자원의 경쟁상태가 발생할 경우, 문제원인을 찾기 쉽지 않아진다.
출처
우테코 - 프로세스와 스레드
쉬운코드 - 스레드/프로세스/멀티태스킹 등
프로세스와 스레드 차이
매일메일 - 컨텍스트 스위칭
