코테와 CS를 준비하면서 부족한 부분과 아직 잘 모르는 부분을 공부하여 이를 이번 포스트에서 정리합니다. 이번 포스트에서 다룰 주제는 Context Switch입니다.
Context Switch란?
Context Switch란, 쉽게 말해
👉 현재 작업 중인 프로세스의 상태(Context)를 저장하고, 다음 프로세스의 상태로 바꾸어 작업하는 것입니다.
조금 더 디테일하게 들어가 보면, 멀티프로세스 환경에서 CPU 코어가 하나의 프로세스를 실행하고 있을 때
외부에서 인터럽트 요청이 들어오면 현재 작업 중인 프로세스의 정보인 Program Counter (PC), 레지스터 값 등을 PCB(Process Control Block)에 저장합니다.
그 후, 인터럽트 요청 처리 프로세스나 우선순위가 더 높은 프로세스를 CPU 코어에 할당하여 실행하게 됩니다.
처리가 끝난 뒤에는, PCB에 저장된 이전 프로세스의 상태 정보를 다시 불러와 작업을 이어서 실행합니다.
즉, Context Switch는 프로세스 실행 흐름을 끊었다가 다시 이어주는 작업이며,
이 과정에서 프로세스의 실행 상태를 저장하고 복원하는 비용이 발생합니다.
용어 정리
- Program Counter(PC): 프로그램 카운터는 이 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리킵니다.
- 레지스터(Register): CPU 내부의 매우 빠른 저장장치로, 연산에 필요한 데이터나 주소를 임시로 저장합니다. (예: 연산 결과, 변수 값, 스택 포인터 등)
- 인터럽트(Interrupt): 현재 실행 중인 프로세스의 흐름을 일시적으로 멈추고, 외부 요청이나 이벤트를 처리하기 위해 CPU의 제어권을 운영체제로 넘기는 신호입니다.
→ 예시: 키보드 입력, 마우스 클릭, I/O 완료 신호 등
Context Switch가 발생하는 경우
Context Switch는 다음과 같은 상황에서 발생합니다.
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Time Slice가 끝난 경우 (타임퀀텀 종료)
운영체제는 프로세스에게 CPU 사용 시간을 공평하게 나눠주기 위해 일정 시간만 실행하도록 제한합니다.
주어진 시간이 끝나면 다른 프로세스에게 CPU를 넘기기 위해 Context Switch가 발생합니다. -
I/O 요청으로 인한 대기
실행 중인 프로세스가 파일 읽기, 네트워크 통신 등 I/O 작업을 요청하면, CPU는 더 이상 그 프로세스를 실행할 수 없습니다.
이때 프로세스 상태를 저장하고, 다른 프로세스에게 CPU를 할당합니다. -
우선순위가 더 높은 프로세스가 Ready 상태가 된 경우 (Preemption)
새로운 프로세스가 Ready 상태로 들어오고, 현재 실행 중인 프로세스보다 우선순위가 높다면,
현재 작업을 멈추고 새로운 프로세스로 교체됩니다. -
프로세스 종료 또는 대기 상태 전환
현재 실행 중인 프로세스가 종료되거나, 자원을 기다리기 위해 Waiting 상태로 전환되면
다음 Ready 상태 프로세스로 교체됩니다. -
시스템 콜 또는 인터럽트 발생
시스템 콜 처리나, 하드웨어 인터럽트가 발생했을 때도
현재 프로세스의 상태를 저장하고, 커널 모드 작업이나 인터럽트 처리로 넘어갑니다.
🎯 Context Switch의 과정
Context Switch는 다음과 같은 단계로 진행됩니다.
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현재 프로세스(P0)의 상태 저장
- 실행 중인 프로세스(P0)의 Program Counter, 레지스터 값, 스택 포인터 등을
PCB(P0)에 저장합니다.
- 실행 중인 프로세스(P0)의 Program Counter, 레지스터 값, 스택 포인터 등을
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스케줄러가 다음 프로세스(P1) 선택
- Ready Queue에서 우선순위나 스케줄링 정책에 따라 다음 실행할 프로세스(P1)를 선택합니다.
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선택된 프로세스(P1)의 상태 복원
- PCB(P1)에 저장되어 있던 상태 정보를 CPU에 불러옵니다.
- 레지스터, Program Counter 등의 값을 복원합니다.
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프로세스(P1) 실행 시작
- 복원된 정보를 바탕으로 프로세스(P1)의 작업을 이어서 실행합니다.
- Ready Queue: 실행 준비가 완료된 프로세스들의 목록(큐)
CPU가 사용 가능해질 때까지 대기 중인 프로세스들의 PCB(Process Control Block)가 저장되어 있는 공간입니다.
프로세스가 Waiting 상태(I/O 대기 등)에서 벗어나거나, 새롭게 생성되면 Ready Queue에 들어갑니다. 스케줄러는 Ready Queue에서 프로세스를 선택해 CPU에 할당합니다.
⚠️ Context Switch의 비용
Context Switch는 멀티태스킹을 가능하게 해주는 중요한 기능이지만, 다음과 같은 비용과 단점이 있습니다.
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시간 오버헤드
- 프로세스의 상태를 저장하고 복원하는 데 시간이 소요됩니다.
특히 프로세스 간 전환은 스레드 간 전환보다 비용이 큽니다.
- 프로세스의 상태를 저장하고 복원하는 데 시간이 소요됩니다.
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CPU 캐시 무효화
- Context Switch가 발생하면, CPU 내부의 L1, L2 캐시에 저장되어 있던 데이터가 무효화됩니다. 다시 데이터를 가져와야 하므로 성능 저하 발생
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파이프라인 플러시
- 현대 CPU는 파이프라인 구조로 연산을 병렬 처리하는데, 프로세스가 바뀌면 파이프라인도 초기화되어 성능 손실
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메모리 접근 비용
- PCB와 프로세스 상태 정보를 메모리에서 불러오고 저장하는 비용이 발생
✅ 정리
Context Switch는 멀티프로세스 환경의 핵심 기능이며, 다중 작업을 가능하게 하지만, 너무 자주 발생하면 시스템 성능이 급격히 떨어질 수 있습니다. 그래서 운영체제는 스케줄링 알고리즘을 통해 Context Switch 빈도와 비용을 잘 조절해야 합니다.
[참고]
