프로세스와 컨텍스트 스위칭

컨텍스트 스위칭이란, 스케쥴러가 프로세스 A에서 프로세스 B로 running되는 프로세스를 교체해주는 메커니즘이다.

프로세스가 메모리에 올라가면, 프로세스의 메모리 영역은 크게 4개로 나뉜다.

(출처 : https://www.includehelp.com/operating-systems/)

• Stack : return address / 지역변수 / 매개변수 / 객체 참조변수 등이 담김. – Subroutine

• Heap : 객체 메모리가 담김(참조변수) – 사용자의 동적 할당. ex) C언어의 malloc

• Data : 전역변수 / static 변수가 담김. BSS / DATA 두 가지 영역으로 분리됨.

  • BSS : 초기화되지 않은 전역변수
  • DATA : 초기화된 전역변수

int global_data1; // 초기화되지 않음 - BSS
int global_data2 = 1; // 초기화됨 - DATA

• Text : 컴파일된 2진 코드가 담김.

Tip : Stack영역은 Thread마다 하나씩 할당되며, 다른 쓰레드의 stack영역에 접근할 수 없다.

반면 heap 영역은 모든 Thread에서 접근 가능.

heap 영역에 동적 메모리가 늘어날 수록 stack영역이 차지할 수 있는 공간은 줄어듬. Vice versa.

왜 갑자기 뜬금없이 프로세스의 메모리구조를 살펴보았는가?

컨텍스트 스위칭(프로세스 교체)은 Program Counter와 Stack Pointer를 변경해주는 작업이기 때문이다.

Program Counter(PC)는 CPU가 읽어들일 ‘다음에 실행될 명령의 주소’를 가리키는 역할을 하며,

Stack Pointer(SP)는 ‘stack 메모리의 다음번 빈 공간의 주소’를 가리키는 역할을 한다.

PC, SP 는 둘 다 CPU 레지스터의 일종이다.

자, 그럼 프로세스의 Running 과정을 살펴보자.

프로세스가 Running할 때 CPU는

• 메모리에 올라간 프로세스의 명령어(Text)를 PC가 가리키는 주소에 따라 접근하여
• Stack영역에서 SP를 따라 명령을 수행한다.
• 이 때, 컨텍스트 스위칭이 발생하면 (프로세스를 ready상태로 바꾸고 다른 프로세스를 running상태로 교체하려면)
• PCB에 기존 프로세스의 상태정보 (PC의 주소값, SP의 주소값 등)를 저장하고 메모리 공간에 저장한 후,
• 교체하려는 프로세스의 새로운 정보(New Context)를 해당 프로세스의 PCB에서 가져와 그 PCB에 담긴 내용(새로운 프로세스의 PC주소값, SP의 주소값 등)으로 프로세스를 Running한다.

PCB란 Process Control Block으로, 운영체제가 프로세스에 대한 정보를 저장하기 위해 구축한 자료구조이다.

저장하는 프로세스의 정보 : Process ID, Register 값, Scheduling information (Process State), Memory info…

핵심은, 프로세스의 상태정보를 PCB 자료구조에 저장하고, 새 프로세스의 PCB를 참조하여 프로세스의 상태를 변경하는 것이다.

이것이 바로 운영체제의 Context Switching이다.

Context Switching은 프로세스를 1초에 몇백번씩 바꾸어야 하는 CPU에게는 굉장한 Overhead cost를 유발한다.

따라서 최대한 그 속도를 높여야 하기에, 이 부분은 C언어가 아닌 Assembly로 작성되어있다.

어셈블리어로 작성되면 컴파일할 필요가 없어서 성능이 높아지기 때문이다.

위 내용은 ‘패스트캠퍼스’의 컴퓨터공학 강좌 내용을 요약 정리한 것임을 밝힙니다. (https://www.fastcampus.co.kr/)