Context Switching은 무엇인가?
컨텍스트 스위칭에 대해 알아보자
Context Switching(문맥 전환)은 운영 체제가 CPU를 여러 프로세스나 스레드 간에 공유하기 위해 수행하는 작업이다. 이는 멀티태스킹 환경에서 필수적인 기능으로, 한 프로세스의 실행 상태를 저장하고 다른 프로세스의 실행 상태를 복원하는 과정을 의미한다.
Context Switching의 구체적인 과정은 다음과 같다.
현재 실행 중인 프로세스의 상태 저장: CPU는 현재 실행 중인 프로세스의 상태를 레지스터와 프로세스 제어 블록(PCB, Process Control Block)에 저장한다. 이는 프로세스의 프로그램 카운터, 스택 포인터, CPU 레지스터, 메모리 관리 정보 등을 포함한다. 이러한 정보는 나중에 해당 프로세스를 다시 실행할 때 필요하다.
PCB 업데이트: 프로세스의 현재 상태를 저장한 후, 운영 체제는 해당 프로세스의 PCB를 업데이트한다. PCB는 프로세스의 상태 정보를 유지하는 데이터 구조로, 프로세스의 식별자, 상태, CPU 레지스터 값, 메모리 주소, 열린 파일 목록 등을 포함한다.
다음 실행할 프로세스 선택: 스케줄러는 준비 상태에 있는 다른 프로세스 중에서 다음에 실행할 프로세스를 선택한다. 이는 다양한 스케줄링 알고리즘에 따라 결정되며, 각 프로세스의 우선순위, 실행 시간, 대기 시간 등을 고려한다.
선택된 프로세스의 상태 복원: 스케줄러가 다음에 실행할 프로세스를 선택한 후, 해당 프로세스의 PCB에서 저장된 상태 정보를 CPU 레지스터와 프로그램 카운터에 로드하여 복원한다. 이는 선택된 프로세스가 마지막으로 실행된 시점에서부터 계속 실행될 수 있도록 한다.
프로세스 실행 재개: 복원된 상태 정보를 바탕으로 CPU는 선택된 프로세스의 실행을 재개한다. 이렇게 함으로써, CPU는 여러 프로세스 간에 빠르게 전환할 수 있으며, 사용자에게는 여러 작업이 동시에 수행되는 것처럼 보인다.
Context Switching의 주요 구성 요소는 다음과 같다.
프로세스 제어 블록(PCB): 각 프로세스의 상태 정보를 저장하는 데이터 구조로, 프로세스의 현재 상태, 프로그램 카운터, CPU 레지스터, 메모리 관리 정보 등을 포함한다.
레지스터: CPU의 작업 공간으로, 현재 실행 중인 프로세스의 데이터를 저장하고 처리한다. 문맥 전환 시 레지스터의 내용을 PCB에 저장하고, 새로운 프로세스의 PCB에서 내용을 로드한다.
스택: 각 프로세스의 함수 호출과 지역 변수를 관리하는 메모리 공간이다. 문맥 전환 시 현재 프로세스의 스택 포인터를 저장하고, 새로운 프로세스의 스택 포인터를 복원한다.
Context Switching은 시스템의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 문맥 전환이 자주 발생하면 CPU가 실제 작업을 수행하는 시간보다 문맥 전환에 소요되는 시간이 더 많아질 수 있다. 이는 문맥 전환 오버헤드(Context Switching Overhead)로 알려져 있으며, 시스템의 전체 성능을 저하시킬 수 있다. 따라서, 운영 체제는 효율적인 스케줄링 알고리즘을 사용하여 문맥 전환의 빈도를 최적화하고, 시스템의 응답성과 성능을 유지하려 한다.
결론적으로, Context Switching은 운영 체제가 CPU 자원을 여러 프로세스나 스레드 간에 효율적으로 공유하기 위해 수행하는 필수적인 작업이다. 이는 프로세스의 상태를 저장하고 복원하여, 여러 작업이 동시에 실행되는 것처럼 보이도록 한다. Context Switching은 시스템의 효율성과 응답성을 유지하는 데 중요한 역할을 하지만, 빈번한 문맥 전환은 오버헤드를 초래할 수 있으므로 운영 체제는 이를 최적화하는 것이 중요하다.