Context Switching(문맥 전환)

3 분 소요

컨텍스트 스위칭은 CPU가 실행 중인 프로세스나 스레드의 상태(Context)를 저장하고
다음 작업의 상태를 불러와 실행을 재개하는 과정(Switching)
OS가 ‘멀티태스킹’을 진행하여
여러 프로세스를 동시에 처리하기 위하여 필요!
프로세스는 PCB (Process Control Block)라는 것을 통해 정보를 저장
- 프로세스 식별자 (PID)
- 프로레스의 상태 (ex : New, Ready, Running, Waiting)
- 프로그램 카운터(PC) 같은 레지스터의 값들 (다음 실행할 명령어 주소)
- 메모리 관리 정보
  - Page Table 등
- 그 외에도 스케줄링 정보, I/O 상태 등등
스레드는 TCB (Thread Control Block)를 통해 정보 저장
- 스레드 식별자 (TID)
- 스레드 상태 (New,Running,Ready,Waiting)
- PC : 프로그램 카운터
- 스택 포인터 : 각 스레드가 ‘독립적인 스택 영역’을 가지므로
- PCB를 가리키는 포인터 : 공유 자원에 접근하기 위함
이러한 PCB, TCB는 ‘커널 영역’에 존재함
- ‘보안’과 ‘안정성’ 때문

프로세스는 독립적인 ‘가상 메모리 공간‘을 가짐
- 보호 + 보안
그렇기에 이러한 ‘가상 메모리 공간’에서 ‘물리 메모리 공간’으로 실제 주소를 찾아가기 위해
페이지 테이블이라는 매핑된 테이블이 필요함
- 가상 메모리 공간의 일정 크기 : 페이지 <-> 물리 메모리 공간의 일정 크기 : 프레임
이러한 ‘주소 변환’ 연산을 빠르게 하기 위하여
TLB(Translation Lookaside Buffer) 캐시를 두어
‘가상 주소’ 와 ‘물리 주소’의 쌍을 저장(캐싱)
- TLB는 실제 물리 장치로서 존재하는 페이지 테이블용 캐시!
- PageTable은 DRAM에 존재하며 CPU는
  PTBR(Page Table Base Register) 레지스터 (or CR3 레지스터)를 통해 접근
  (매 주소 확인마다 DRAM(메인 메모리)까지 내려가는 것은 느리므로!)
문맥 전환 자체는 ‘PCB’ 포인터를 변경하는 등 비교적 비싸지는 않지만
TLB Flush(무효화) 및 L1/L2/L3 캐시가 재사용되기 힘듦!
- TLB와 L1,L2,L3 자체에 ‘이전 프로세스’에서 사용한 데이터들로 가득 차있는데
  이러한 데이터들은 ‘현재 프로세스’에게는 무의미한 데이터들
- 결국 다시 메인 메모리 or 디스크 에서 캐시를 채워나가기 시작해야 함

여러 스레드들은 하나의 프로세스의 Code/Data/Heap 등을 공유!
다만, 스레드들은 독자적인 Stack 영역을 가짐
- 스레드마다 ‘독립적인’ 함수 호출을 가져야 하기 때문
- 각자 다른 코드를 실행시킴으로서 ‘병렬적인 처리’를 가능하게 함
그렇기에 스레드의 ‘전환’은 페이지 테이블을 갈아끼울 필요가 없기에 가벼움!
- 기본적인 TCB 포인터 변경 같은 CPU 비용 지불
- 또한 추가적으로 Stack 영역에 대한 캐시가 무효화됨
  (그래도 프로세스의 문맥 전환보단 훨씬 가볍다!)

현대의 OS에서 ‘프로세스’는 일종의 ‘컨테이너’ 역할을 하며
스레드는 실제로 일을 처리하는 ‘일꾼’ 역할을 함
그렇기에 CPU는 ‘스레드’를 실행시켜 작업을 진행
(OS 역시 스케쥴링의 대상이 스레드!)
- 위 이미지를 정리하자면 다음과 같음
  - OS 스케쥴러가 사용 가능한 CPU 코어에 스레드 할당
  - 각 코어는 특정 시점에 하나의 스레드만 실행
  - 프로세스 내의 여러 스레드가 존재시, 스레드가 여러 코어에서 동시에 실행 가능
CPU가 작업을 진행하기 위하여
TCB 내부의 PC를 통해 ‘명령어 주소’를 가져오고
PCB 내부의 Page Table Pointer 를 통해 가상<->물리 메모리 매핑만 파악

문맥 전환은
Timer 같은 ‘인터럽트’나
I/O 대기 같은 ‘시스템콜’로 인하여 발생

Timer 인터럽트?
- OS의 스케쥴링을 위한 인터럽트
  (현재 CPU를 독점하는 프로그램에게서 일정 시간마다 CPU 제어권을 OS가 가져옴)
- 실제 ‘하드웨어’적 장치(타이머 칩)를 통해 신호를 발생시키기에 ‘하드웨어 인터럽트’로 분류
OS는 이러한 Timer 인터럽트를 이용하여
Time Slicing이라는 ‘정책’을 실행 가능함
- 일정한 시간마다 Thread 들의 작업을 번갈아가면서 진행

OS도 ‘프로그램’!
- 그렇기에 ‘메모리’에 항상 상주하며 ‘핵심 기능’을 수행하는 부분을
  ‘커널’이라 함
커널의 역할
- 자원 관리 : CPU 스케쥴링, 메모리 할당/해제
- 하드웨어 제어 : 키보드,마우스 등
- 보안과 보호 : 프로세스 간 격리, 접근 권한 파악
커널 모드? 유저모드?
- CPU가 보안을 위해 실행 권한을 나눠둔 것
  - 커널 모드
    
    모든 메모리 및 명령어 사용 가능
    OS의 핵심 코드를 실행 가능
    오류 발생시, 시스템이 전체적으로 다운
  - 유저 모드
    
    제한적인 접근만 허용
    프로그래머가 제작한 프로그램 등을 실행
    오류 발생 시, 해당 프로그램만 Kill
커널의 위치

모든 프로세스의 가상 메모리 상단부에 위치함
같은 가상 메모리에 존재해야 하는 이유?
- 같은 프로세스에 존재해야 페이지 테이블을 교체하지 않고 커널 기능 이용 가능
  - 커널 접근시마다 페이지 테이블을 바꿔야 한다면 성능 하락
이러한 커널의 위치(가상/물리)는
모든 프로세스가 같은 주소를 가지게 됨
(어차피 커널은 모든 프로세스가 공유하므로)
- PageTable을 효율적으로 만들기 위해서!
  - TLB 등의 캐시 중 커널 접근에 대한 것은 무효화되지 않음

참고