들어가며
면접에서 받았던 질문에 대해 정리하고 조금 더 자세하게 알기 위해 작성합니다.
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.
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.
PCB(Process Control block) 구조
- Process State : 프로세스 상태(Create, Ready, Running, waiting, terminated)
- Process Counter : 다음 실행할 명령어의 주소값
- CPU Registers: accumulator, index register, stack pointers, general purpose registers.
Example
- i에 10을 넣고 Context Switching을 발생시키고 20넣고 Context Switching을 발생시키는 과정입니다.
yield()를 호출하여 CPU를 양보하여 Context Switching이 발생하게됩니다.
- Context Switching을 위해 PC, SP값을 Stack에 저장하게 됩니다.
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현재 PC값과 SP값을 System Call
yield()로 조정합니다.
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context Switching을 진행하기 위해 PC값을 변경합니다.
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이전의 Task의 PC값과 SP값을 PCB에 담아 저장합니다.
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Context 저장을 완료한 다음 Process X를 실행하게 됩니다.
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Process X가 진행이 완료되고 다시 Context Switch가 발생하게 된다면 이전 Process로 돌아올 준비를 합니다.
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Stack에 담긴 PC, SP를 읽어 다시 CPU에 적재합니다.
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다시 돌아온 Context지만 다시
yield()를 발생시켰기 때문에 위 과정을 다시 반복진행합니다.
Context Switching Cost
- Context Switching이 발생하게 되면 많은 Cost가 소요됩니다.
- Cache 초기화
- Memory Mapping 초기화
- Kernel은 항상 실행되어야 합니다. (메모리의 접근을 위해서..)
Process vs Thread
- Context Switching 비용은 Process가 Thread보다 많이 듭니다.
- Thread는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에
- Context Switching 발생시 Stack 영역만 변경을 진행하면 됩니다.