컨텍스트 스위칭에 대해 설명해주세요

[ehtjsv2]

CPU코어에서 실행중이던 프로세스 또는 쓰레드가 다른 프로세스 또는 쓰레드로 교체하는 것을 의미합니다.
컨텍스트 스위칭은 여러 프로세스 또는 쓰레드를 동시에 수행시키기 위해 필요합니다
다른 프로세스간 스위칭은 프로세스 컨텍스트 스위칭,
같은 프로세스의 스레드간 스위칭은 스레드 컨텍스트 스위칭이라 불립니다.

ps1) 오늘 날의 자바 스레드는 OS 스레드와 1대1 매핑되고, OS의 컨텍스트 스위칭 규칙을 따르기 때문에 OS측면에서의 컨텍스트 스위칭을 설명하겠습니다.
ps2) 혹시 하드웨어 스레드, OS스레드(네이티브 스레드), 유저스레드(자바 스레드)에 대해 모호하게 알고 있다면 해당 영상 추천합니다. 아주 많이 도움됨! 하드웨어 스레드, OS 스레드, 네이티브 스레드, 커널 스레드, 유저 스레드, 그린 스레드 YouTube

[helenason]

컨텍스트 스위칭이 일어나는 시점은 언제인가요?

[ehtjsv2]

CPU에는 여러 프로세스를 처리하기 위해 스케쥴링기법을 사용하는 데, 운영체제가 강제로 CPU자원을 회수할 수 있는 지에 따라 선점형 스케쥴링과 비선점형 스케쥴링으로 나누어집니다.
자원을 독점하지 않고 다른 프로세스가 필요할 때 CPU자원을 가져올 수 있는 방식이 선점형 스케쥴링, 반대는 비선점형 스케쥴링입니다.
두 스케쥴링은 컨텍스트 스위칭이 발생하는 시점이 다릅니다.
선점형 스케쥴링의 경우, CPU를 사용할 수 있는 특정 시간인 TimeSlice가 도달하거나, 우선순위가 더 높은 프로세스가 실행되어야 할 때 발생합니다.
비선섬형 스케쥴링의 경우, 자신의 CPU버스트 작업이 끝나는 시점에 발생합니다. 즉, I/O작업이 일어나거나, 프로세스가 종료될 때 발생합니다.

간략하게 말하면, 어떤 경우든, 다른 프로세스가 CPU자원을 가져갈 때 컨텍스트 스위칭이 발생합니다.
하지만 CPU자원을 가져가는 시점은 스케쥴링 방식에 따라 달라집니다.

[helenason]

그렇다면 각 스케쥴링 방식이 제공하는 여러 알고리즘의 종류를 아는대로 설명해주세요.

[ehtjsv2]

제일 간단한 FCFS(First come First Served)방식부터 해당 알고리즘 단점을 보완하기 위한 SJF(Shortest Job Frist)은 비선점형 스케쥴링방식입니다.
그 외에 TimeSlice로 나누어 처리하는 라운드로빈 알고리즘과 우선순위를 나누어 처리하는 다단계 큐, 다단계 피드백큐 알고리즘은 선점형 스케쥴링 방식입니다.
오늘 날에는 다단계 피드백 큐가 가장 일반적으로 사용되는 스케쥴링 알고리즘인 것으로 알고 있습니다.

[helenason]

오늘날 다단계 피드백 큐를 일반적으로 많이 사용하는 이유는 무엇인가요?

[Libienz]

프로세스간 컨텍스트 스위칭과 쓰레드 간 컨텍스트 스위칭을 비교해주세요

[ehtjsv2]

쓰레드 간 컨텍스트 스위칭의 경우 같은 가상 메모리 내에 존재하여 CPU 레지스터 및 스택영역만 교체하면 되기 때문에 비교적 오버헤드가 작습니다.
하지만 프로세스 간 컨텍스트 스위칭은 가상 메모리 공간을 변경하기 위한 별도의 처리가 존재하기 때문에 오버헤드가 비교적 큽니다.

가상 메모리 공간 변경을 위한 별도 처리가 생기면 오버헤드가 커지는 근본적인 원인은 TLB에 있습니다.
TLB(Translation Lookaside Buffer)는 CPU가 페이지 테이블을 참조해야하는 단점을 보완하는 캐시입니다.
프로세스 컨텍스트 스위칭은 TLB를 플러시하여 비우기 때문에, 다시 TLB를 채워나가야 하는 추가적인 오버헤드를 발생시킵니다.

[Libienz]

추가적으로 커널 쓰레드와 유저 쓰레드의 컨텍스트 스위칭 오버헤드를 비교해주세요

[ehtjsv2]

JVM의 경우는 유저스레드가 커널스레드와 OneToOne 관계이기에 OS 레벨에서 컨텍스트 스위칭하여 둘의 오버헤드는 같은 것으로 알고 있습니다.
하지만 만약 OneToOne관계가 아닌 ManyToOne이나 ManyToMany관계인 유저스레드의 경우 OS레벨이 아닌 유저레벨에서 스케쥴링이 가능하기 때문에, 컨텍스트 스위칭만 본다면 오버헤드가 작을 것으로 생각됩니다. 그 이유는 유저레벨의 컨텍스트 스위칭의 경우 커널모드로 진입하지 않는다는 점이 오버헤드 감소로 이어지기 때문입니다.

[ay-eonii]

컨텍스트 스위칭의 동작 과정을 설명해주세요

[ehtjsv2]

컨텍스트 스위칭이 발생하면, 해당 프로세스의 PCB에 현재 상태를 백업해두게 됩니다. 이후, 다음 프로세스 작업의 PCB를 CPU에 복원하여 작업을 그대로 수행합니다.
PCB(Process Control Block)에는 프로세스 ID, 레지스터 값, 프로세스 상태, CPU 스케쥴링 정보, 프로세스 메모리 위치와 같이 프로세스를 제어하기 위한 데이터가 저장됩니다.

[ay-eonii]

PBC와 TCB는 어떤 차이가 있나요 ?

[ehtjsv2]

PCB는 프로세스의 컨텍스트를 저장하는 공간입니다.
반면 TCB는 Thread Control Block으로 스레드 컨텍스트 스위칭에 필요한 정보를 저장하며 PCB에 비해 비교적 적은 정보를 저장합니다.
스레드 ID, 스레드 상태, PCB 포인터, 레지스터(PC, SP) 값, 스택의 위치와 같은 정보를 저장합니다.

[ay-eonii]

프로젝트를 수행하면서 컨텍스트 스위칭이 발생하는 대표적인 사례는 무엇이 있나요 ?