[운영체제] 컨텍스트 스위칭이란?

**컨텍스트 스위칭(Context Switching)**은 운영 체제가

CPU의 실행을 하나의 프로세스나 스레드에서 다른 프로세스나 스레드로 전환하는 과정입니다.

이 전환 과정은 CPU가 동일한 프로세서에서 여러 작업을 처리하는 멀티태스킹 환경에서 발생합니다.

1. 컨텍스트 스위칭의 필요성

• 멀티태스킹: 여러 프로세스나 스레드가 동시에 실행되고 있다고 가정할 때, 운영 체제는 각 프로세스나 스레드에게 CPU를 분배하고, 이를 빠르게 전환하여 마치 모든 작업이 동시에 실행되는 것처럼 보이게 합니다.
• CPU 자원 공유: 여러 프로세스가 CPU 자원을 공평하게 사용할 수 있도록, 운영 체제는 각 프로세스의 실행을 주기적으로 전환하여 CPU 시간을 나눕니다. 이 과정에서 발생하는 것이 바로 컨텍스트 스위칭입니다.

2. 컨텍스트 스위칭 과정

컨텍스트 스위칭은 두 가지 주요 단계로 나눠질 수 있습니다:

1. 현재 실행 중인 프로세스나 스레드의 상태 저장(Save Context):
   • CPU가 현재 실행 중인 프로세스의 레지스터 값, 프로그램 카운터(PC), 스택 포인터(Stack Pointer) 등을 저장하여, 나중에 이 프로세스를 재개할 수 있도록 준비합니다.
   • 이러한 정보는 **프로세스 제어 블록(PCB, Process Control Block)**에 저장됩니다.
2. 새로운 프로세스나 스레드의 상태 로드(Load Context):
   • 다음에 실행될 프로세스나 스레드의 **프로세스 제어 블록(PCB)**에서 해당 프로세스의 레지스터 값, 프로그램 카운터, 스택 포인터 등을 로드합니다.
   • 이 작업을 통해 CPU는 새로운 프로세스를 실행할 준비를 마칩니다.

3. 컨텍스트 스위칭의 오버헤드

• 컨텍스트 스위칭은 실행 중인 프로세스를 변경하기 위한 추가 작업을 필요로 하므로, 오버헤드가 발생합니다. 이 오버헤드는 시스템의 성능 저하를 초래할 수 있습니다.
• 오버헤드는 레지스터 저장/복원, 프로세스 상태 변경, 메모리 접근 등 여러 작업에서 발생합니다.
• 빈번한 컨텍스트 스위칭은 CPU를 다른 프로세스로 자주 전환하므로, 시스템 효율을 떨어뜨릴 수 있습니다.

4. 컨텍스트 스위칭의 주요 요소

• 프로세스 제어 블록(PCB): 각 프로세스나 스레드에 대한 상태를 저장하는 구조체입니다. PCB에는 프로세스 ID, 프로그램 카운터, 스택 포인터, 레지스터 값 등 다양한 정보가 포함됩니다.
• 레지스터(Register): CPU 내에서 실행 중인 명령어와 데이터를 처리하는 장치입니다. 컨텍스트 스위칭 중에는 현재 스레드나 프로세스의 레지스터 상태를 저장하고, 새로운 프로세스나 스레드의 레지스터를 복원합니다.
• 프로그램 카운터(PC): 현재 실행 중인 명령어의 메모리 주소를 나타냅니다. 컨텍스트 스위칭 시, 프로그램 카운터를 새로운 프로세스의 위치로 설정하여 해당 프로세스가 계속 실행될 수 있도록 합니다.

5. 컨텍스트 스위칭이 중요한 이유

• 멀티태스킹과 동시성: 컨텍스트 스위칭 덕분에 운영 체제는 여러 프로세스를 번갈아 가며 실행할 수 있습니다. 이것은 시스템이 여러 작업을 동시에 처리하는 것처럼 보이게 하여, 효율적이고 빠른 작업 처리를 가능하게 합니다.
• 우선순위 관리: 운영 체제는 프로세스의 우선순위에 따라 컨텍스트 스위칭을 조정할 수 있습니다. 예를 들어, 높은 우선순위의 프로세스는 낮은 우선순위의 프로세스보다 먼저 실행될 수 있습니다.

6. 컨텍스트 스위칭의 오버헤드 최소화 방법

• 스레드 사용: 스레드 간 컨텍스트 스위칭은 프로세스 간에 비해 더 적은 오버헤드를 발생시킵니다. 스레드는 같은 프로세스 내에서 실행되므로 메모리와 자원을 공유하고, CPU 상태 전환에 필요한 비용이 줄어듭니다.
• 스케줄링 최적화: 운영 체제의 스케줄러가 효율적으로 프로세스를 관리하면, 불필요한 컨텍스트 스위칭을 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 타임 슬라이스를 적절히 조정하거나 프로세스 우선순위를 잘 설정하는 방법이 있습니다.
• 적절한 시스템 설계: 하드웨어 수준에서 효율적인 컨텍스트 스위칭을 지원하는 **하이퍼바이저(Hypervisor)**나 멀티코어 CPU 환경을 구축하여, 하나의 CPU에서 여러 프로세스가 원활하게 처리되도록 할 수 있습니다.

7. 컨텍스트 스위칭 예시

• 예를 들어, 두 개의 프로세스 A와 B가 있고, 각 프로세스가 CPU 시간을 번갈아 가며 사용하는 상황을 가정해 봅시다. 프로세스 A가 CPU를 사용하다가 타임 슬라이스가 끝나면, 운영 체제는 프로세스 A의 상태(레지스터, 프로그램 카운터 등)를 저장하고, 프로세스 B의 상태를 로드하여 프로세스 B를 실행합니다. 이때 발생하는 상태 저장 및 로드 작업이 컨텍스트 스위칭입니다.

8. 결론

컨텍스트 스위칭은 멀티태스킹 시스템에서 프로세스나 스레드를 전환하는 중요한 과정입니다. 이는 여러 작업을 동시에 처리할 수 있게 해주지만, 그에 따른 오버헤드가 발생할 수 있습니다. 따라서 효율적인 컨텍스트 스위칭 관리와 최적화는 시스템 성능에 중요한 영향을 미칩니다.