Context Switching - hochan222/Everything-in-JavaScript GitHub Wiki

왜 Context Switching이 필요한가?

Computer가 매번 하나의 Task만 처리할 수 있다면?

• 해당 Task가 끝날때까지 다음 Task는 기다릴 수 밖에 없습니다.
• 또한 반응속도가 매우 느리고 사용하기 불편합니다.

그렇다면 다양한 사람들이 동시에 사용하는 것처럼 하기 위해선?

• Computer multitasking을 통해 빠른 반응속도로 응답할 수 있습니다.
• 빠른 속도로 Task를 바꿔 가며 실행하기 때문에 사람의 눈으론 실시간처럼 보이게 되는 장점이 있습니다.
• CPU가 Task를 바꿔 가며 실행하기 위해 Context Switching이 필요하게 되었습니다.

Context Switching이란?

• 현재 진행하고 있는 Task(Process, Thread)의 상태를 저장하고 다음 진행할 Task의 상태 값을 읽어 적용하는 과정을 말합니다.
• 멀티프로세스 환경에서 CPU가 어떤 하나의 프로세스를 실행하고 있는 상태에서 인터럽트 요청에 의해 다음 우선 순위의 프로세스가 실행되어야 할 때 기존의 프로세스의 상태 또는 레지스터 값(Context)을 저장하고 CPU가 다음 프로세스를 수행하도록 새로운 프로세스의 상태 또는 레지스터 값(Context)를 교체하는 작업을 Context Switch(Context Switching)라고 합니다.

어떻게 Context Switching은 진행될까요?

• Task의 대부분 정보는 Register에 저장되고 PCB(Process Control Block)로 관리되고 있습니다.
• 현재 실행하고 있는 Task의 PCB 정보를 저장하게 됩니다. (Process Stack, Ready Queue)
• 다음 실행할 Task의 PCB 정보를 읽어 Register에 적재하고 CPU가 이전에 진행했던 과정을 연속적으로 수행을 할 수 있습니다.

참고로 Context Switching 때 해당 CPU는 아무런 일을 하지 못한다. 따라서 컨텍스트 스위칭이 잦아지면 오히려 오버헤드가 발생해 효율(성능)이 떨어진다.

Process 와 Thread 를 처리하는 ContextSwitching 은 조금 다른데, PCB는 OS에 의해 스케줄링되는 Process Control Block이고, Thread 의 경우 Process 내의 TCB(Task Control Block) 라는 내부 구조를 통해 관리된다.

일반적으로 멀티 프로세스를 통해 PCB를 Context Switching 하는 것보다 멀티 쓰레드를 통해 TCB 를 Context Switching 하는 비용이 더 적다고 알려져있다.

PCB(Process Control block) 구조

• Process State : 프로세스 상태(Create, Ready, Running, waiting, terminated)
• Program Counter : 다음 실행할 명령어의 주소값
• CPU Registers: accumulator, index register, stack pointers, general purpose registers.

• 프로세스 P0와 P1이 존재할 때, P0가 CPU를 점유중(excuting)이었고 P1이 대기중(idle)이었는 상태이다가 얼마후에는 P1이 실행이 되고 P0가 대기가 되는 상태가 찾아온다.
• P0가 실행중에서 대기로 변하게 될 때는 지금까지 작업해오던 내용을 모두 PCB에 저장한다.
• 즉, P0는 PCB에 저장해야하고 P1이 가지고 있던 데이터는 PCB에서 가져와야한다.
• P0와 P1이 서로 대기<->실행을 번갈아가며 하는 것을 컨텍스트 스위칭이라고 한다.

컨텍스트 스위칭 인터럽트

컨텍스트 스위칭은 다음과 같은 상황에서 일어난다.

1. I/O interrupt
2. CPU 사용시간 만료
3. 자식 프로세스 Fork 등등이 있다.

이러한 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 다음번 프로세스는 스케줄러가 결정하게 된다.
즉, 컨텍스트 스위칭을 하는 주체는 스케줄러이다.

어셈블리에서

다른 또하나의 문제점은 brk(2) 시스템 호출을 자주한다는데 있다. 시스템 호출은 많은 시간이 소모되는 작업이다. 왜냐하면 단일한 프로세스의 mode 변환이 일어나기 때문이다. 거의 모든 kernel는 운영체제를 보호하기 위해서 user mode와 kernel mode로 모드를 분리해서 필요한 일을 하게 된다. 메모리 맵핑, 파일열기/쓰기와 같은 중요한 일을, 프로세스에게 전적으로 맡길경우 심각한 보안 위험을 가질 수 있기 때문으로, 위의 일들은 프로세스가 커널에게 요청하고 커널이 요청을 받아서 수행하는 식으로 이루어진다. 프로세스는 평상시에는 user mode로 작동을 하고, 커널에 어떤 요청을 해야 할경우 kernel mode로 변환을 하게 되고, 요청한 일을 끝냈을 경우 다시 user mode로 작동하게 된다. 이러한 모드변환을 context switch라고 부르기도 한다. 이러한 context switch는 x86 프로세스에서 매우 느리게 일어난다. 그러므로 가능하면 context switch가 일어나지 않도록 해주어야 한다. brk(2)는 메모리 맵핑 관련일을 하는 것으로, user 모드에서는 필요한 작업을 수행할 수 없으며, 때문에 kernelmode로 context switch 가 발생하게 된다.