[운영체제] PCB와 문맥 교환(Context Switching)

PCB (Process Control Block)

• 운영체제가 시스템 내의 프로세스들을 관리하기 위해 프로세스마다 유지해야하는 정보들을 담는 커널 내 자료구조
  • 커널 주소 공간의 data 영역에 존재
• 프로세스의 메타 데이터들이 저장되는 곳
  • Process ID
  • Process 상태
  • CPU Regiter 값
  • CPU 스케줄링 정보
  • 메모리 사용/관리 정보
  • 등등
• Linked List 방식으로 관리
  • PCB 생성마다 PCB List Head에 주소값으로 연결

 

PCB가 필요한 이유

CPU에서는 프로세스의 상태에 따라 주기적으로 프로세스를 교체해주는 작업이 필요하다. 이를 문맥 교환(Context Switching)이라고 한다. 문맥 교환 시 현재 CPU 상에서 실행되고 있던 프로세스의 정보(문맥)을 자신의 PCB에 저장하고, 새롭게 CPU 할당을 받게되는 프로세스는 PCB로부터 예전에 저장했던 자신의 정보(문맥)을 복원시켜 이어서 실행할 수 있어야 한다. 이렇듯 PCB는 문맥 교환 과정에서 프로세스의 정보/상태/문맥을 저장하기 위해 사용된다.

 

 

문맥 교환(Context Switching)

• CPU/코어에서 실행중이던 프로세스/스레드가 다른 프로세스/스레드로 교체되는 것 (프로세스/스레드 -> 이하 프로세스)
• 하나의 프로세스로부터 다른 프로세스로 CPU 제어권이 이양되는 과정
• 멀티 태스킹(Multitasking), 인터럽트 핸들링(Interrupt Handling) 시 문맥 교환 발생
  • 프로세스가 주어진 time slice(quantum)를 다 사용했다는 인터럽트가 발생했을 때
  • 입출력 요청(IO 작업) 등에 대한 인터럽트가 발생했을 때
  • 자식 프로세스 생성, 인터럽트 처리 대기 등 프로세스가 다른 리소스를 기다려야할 때
  • 다른 리소스를 기다리지 않아도 되는 그 외 인터럽트나 시스템콜 발생 시에는 유저에서 커널로 모드만 바뀔 뿐 문맥 교환 X
• 여러 프로세스가 동시에 실행되는 것처럼 느껴지게 하기 위해 사용 (멀티 태스킹)
• 짧은 time slice 등으로 인한 잦은 문맥 교환은 오버 헤드를 발생

 

Context Switching 과정

1. P1 실행 중 운영체제에서 프로세스의 스케줄러에 의해 인터럽트 발생
2. 프로세스가 실행되는 유저 모드에서 커널 모드로 전환
3. 기존에 실행되었던 현재 프로세스(P1)의 상태/정보를 자신의 PCB1에 저장
4. PCB2로부터 다음에 실행되는 프로세스(P2)의 상태/정보 복구
5. 커널 모드에서 유저 모드로 전환
6. 새로운 프로세스 P2 실행

 

프로세스 상태 전이에 따른 문맥 교환이 필요한 상황

필요 상황	설명	전이 과정
dispatch	새롭게 CPU 할당 받아 실행 상태로 전이	준비 → 실행 (dispatch)
CPU 할당 시간 만료	CPU 할당 시간 만료로 준비 상태로 전이	실행 → 준비 (Timeout)
I/O 작업 및 할당	I/O 작업이 필요하여 작업 완료 시까지 대기 상태로 전이	실행 → 대기 (Sleep)
System Call	또다른 서비스 호출이 필요한 경우 대기 상태로 전이	실행 → 대기 (Sleep

 

문맥 교환의 오버헤드 해결 방안

• 다중 프로그래밍 수준(time slice 주기)을 낮추어 문맥 교환 발생 빈도 감소
• 스레드를 이용해 문맥 교환 부하 최소화 (스레드는 메모리 영역을 공유하여 메모리 주소 관련 처리를 수행할 필요 X)
• 스택 이용 프로그램의 경우 스택 포인터를 활용해 문맥 교환 부하 최소화

 

 

⭐️ 참고

• https://aktnfl.tistory.com/25
• https://spurdev.tistory.com/13
• https://yoongrammer.tistory.com/53
• https://gyoogle.dev/blog/computer-science/operating-system/PCB%20&%20Context%20Switching.htmlhttps://yoongrammer.tistory.com/53