하나의 CPU는 동일한 시간에 하나의 작업(Task)만 수행할 수 있기 때문에 여러 프로세스를 동시에 실행할 수 없다.
하나의 CPU 에서 여러 프로세스를 동시성으로 처리하기 위해서는 한 프로세스에서 다른 프로세스로 전환해야 하는데 이것을 문맥 교환(Context Switching) 이라고 한다.
프로세스 간 전환을 위해서는 이전에 어디까지 명령을 수행했고, CPU Register에는 어떤 값이 저장되어 있는지에 대한 정보가 필요하다.
Context는 CPU가 해당 프로세스를 실행하기 위한 프로세스의 정보를 의미하며, 이 정보들은 운영체제가 관리하는 PCB 라고 하는 자료 구조의 공간에 저장된다.
운영체제가 시스템 내의 프로세스들을 관리하기 위해 프로세스마다 유지하는 정보를 담는 커널 내의 자료 구조이다.
컨텍스트 스위칭은 CPU가 프로세스 간 PCB 정보를 교체하고 캐시를 비우는 일련의 과정이라 볼 수 있다.
New(생성) : 프로세스를 생성하고 있는 단계로 커널 영역에 PCB가 만들어진 상태
Ready(준비) : 프로세스가 CPU를 할당받기 위해 기다리고 있는 상태
Running(실행) : 프로세스가 CPU를 할당 받아 명령어를 실행 중인 상태
Waiting(대기) : 프로세스가 I/O 작업 완료 또는 사건 발생을 기다리는 상태
Terminated(종료) : 프로세스가 종료된 상태
실행 중인 프로세스에서 I/O 호출이 일어나 해당 I/O 작업이 끝날 때까지 프로세스 상태가 Running에서 Waiting 상태로 전이된 경우
라운드 로빈 스케줄링 등 운영체제의 CPU 스케줄러 알고리즘에 의해 현재 실행 중인 프로세스가 사용할 수 있는 시간 자원을 모든 사용했을 때 해당 프로세스를 중지(Ready 상태로 전이)하고 다른 프로세스를 실행 시켜주는 경우
운영체제 스케줄러에 의해 프로세스 하나를 선점
선점된 프로세스(Process 1)는 실행 상태, 다른 프로세스(Process 2)는 준비 상태
선점된 프로세스에서 주어진 실행 시간이 종료되고 다른 프로세스로 문맥 교환이 발생할 때 오버헤드가 발생한다.
TCB(Thread Control Block)
스레드 상태 정보를 저장하는 자료 구조로, PC와 Register Set(CPU 정보), 그리고 PCB를 가리키는 포인터를 가진다.
스레드가 하나 생성될 때마다 PCB 내에서 TCB가 생성되며 컨텍스트 스위칭이 일어나면 기존의 스레드 TCB를 저장하고 새로운 스레드의 TCB를 가져와 실행한다.
프로세스는 컨텍스트 스위칭 할 때 메모리 주소 관련에 대해 여러가지 처리(CPU 캐시 초기화, TLB 초기화, MMU 주소 체계 수정 등)를 하기 때문에 오버헤드가 크다.
스레드는 프로세스 내 메모리를 공유하기 때문에 메모리 주소 관련 추가적인 작업이 없어 프로세스에 비해 오버헤드가 작아서 컨텍스트 스위칭이 빠르다.
스레드를 생성하는 비용은 크다. 많은 수의 스레드 생성은 메모리 부족 현상이 발생하거나 빈번한 컨텍스트 스위칭으로 인해 애플리케이션의 성능이 저하될 수 있다.
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