네 반갑습니다 이 영상을 보신 후엔 왜 쓰레드 컨텍스트 스위칭이 프로세스의 컨텍스트 스위칭보다 더 빠른지

이해하실 수 있습니다 자 그럼 오늘도 let's go 자 컨텍스트 스위칭이 뭐냐 컨텍스트 스위칭은 CPU 혹은 코어에서

돌아가던 프로세스 혹은 쓰레드가 다른 프로세스나 다른 쓰레드로 교체되는 것을 말합니다 자 여기서 짚고 넘어가고 싶은 게

있는 게 자 오늘날의 컴퓨터에서는 하나의 프로세스는 기본적으로 하나의 쓰레드를 가지고 있습니다 왜냐하면 이 쓰레드가 CPU 에서의

혹은 코어에서의 실행되는 기본 단위이기 때문이죠 자 그래서 프로세스에서 프로세스로 교체된다는 말은 사실 엄밀히 말하면

어떤 프로세스의 안에 실행되는 쓰레드가 다른 프로세스의 안에 실행되는 쓰레드로 바뀐다는 말입니다

서로 다른 프로세스의 소속된 쓰레드들이 바뀌는 것이기 때문에 이때는 프로세스가 교체되었다고 얘기를 할게요

자 그러면 여기서 말하는 컨텍스트란 무엇인가 컨텍스트는 프로세스 혹은 스레드의 상태를 얘기합니다

여기서 이제 상태라는 것에 실제 물리적인 상태, 즉 메모리에서의 상태를 의미하는데요 특히 요 CPU

에서 CPU는 기본적으로 레지스터라는 것들이 있습니다 이 레지스터는 뭐 프로그램 카운터, 스택 포인터 등등

여러 가지 레지스터가 있는데 이것은 오늘 다룰 내용에서는 벗어나는 부분이기 때문에 여러분들께서 관심

있으시면 CPU 레지스터들이 무엇이 있고 어떤 기능들을 하는지 찾아보시길 바랍니다 자 그럼 컨텍스트 스위칭은 왜

필요한가 이건 우리가 앞선 영상 프로세스의 레드 설명할 때 살펴봤었죠 여러 프로세서 그 쓰레드를 동시에

동시에 실행시키기 위함입니다 자 그럼 컨텍스트 스위칭은 언제 발생하는가 주어진 타임 슬라이스 퀀텀이라고

하는 주어진 아주 짧은 타임 슬라이스를 프로세스의 혹은 쓰레드가 다 사용했거나 혹은 I/O 작업을 하러

가야 되거나 혹은 다른 프로세스와 스레드에서 이미 사용하고 있는 리소스를 기다려야 하거나 뭐 그 외에도 여러 가지 이유가 있습니다 인터럽트가

걸려 다든지 등등 여러 이유가 있어요 어쨌든 이런 이유로 컨텍스트 스위칭이 발생하게 됩니다 자 그러면 멀티태스킹 시스템에서

컨텍스트 스위칭이 어떻게 되는지 한번 예를 통해서 살펴볼게요 먼저 프로세스의 2개가 있다고 해

보겠습니다 p1 있고 p2 가 있습니다 그리고 여기에 cpu 가 하나 있어요 이러한 시간의 흐름이 있을 겁니다 자 그러면 멀티태스킹

시스템이라고 하는 것은 우리가 앞선 영상에서 살펴보았던 것처럼 cpu 타임을 아주 짧은 타임 슬라이스를

쪼개서 그 타임 슬라이스를 퀀텀 이라고 불리는 그 타임 슬라이스를 서로 나눠 가지면서 실행 한다고

얘기를 했었죠 그래서 프로세스 원이 먼저 실행을 합니다 아주 짧은 시간 실행을 하고 그 타임 시간이 끝이 나거나 아니면 다른 i/o

작업을 하러 간다든지 그렇게 되면 컨텍스트 스위칭이 발생을 하면서 p2 가 실행되고 또 아주 짧은 시간동안

p2 가 실행 되다가 그 타임이 다 닦은 낮거나 또 다른 i/o 작업을 하러 가게 되면 다시 또 p1 이 실행되고

이런 식으로 동작을 하게 된다고 말씀드렸습니다. 그래서 아주 짧은 시간 동안 번갈아 가면서 실행을 하게 되기 때문에

사용자 입장에서는 여러 프로그램이 즉각적으로 넘나들기 때문에 마치 여러 프로그램이 정말 동시에 실행되는 것 같은 그런 느낌을 주게 된다고

했었습니다. 자, 이런 컨텍스트 스위칭을 오늘 좀 더 자세히 살펴볼까요? 자, 그럼 컨텍스트 스위칭은 누구에

의해서 실행이 되는가? 여기서 이 컨텍스트 스위칭을 집행하는 게 문제, 총괄해서 컨텍스트 스위칭을 처음부터

끝까지 수행하는 존재가 누구인지 설명 드리는 것이지, 컨텍스트 스위칭을 누가 트리거 하는가 혹은 누가 발생시키는

것을 얘기하는 게 아닙니다. 헷갈리시면 안 돼요. 전 컨텍스트 스위칭은 누구에 의해서 실행되는가? OS의 커널에

의해서 실행이 됩니다 이 커널이라는 것은 뭐냐면 운영체제 OS라고 표현된 이 운영체제에서도 가장 핵심적인 기능을 담당하는 존재죠

그러니까 이 컴퓨터에 있는 여러 가지 리소스들이 있잖아요 CPU나 메모리 뭐 디스크 드라이브 이런

여러 가지 리소스들을 관리 감독하는 역할을 하는 게 바로 이 커널입니다 그래서 이 컨텍스트 스위칭은 커널이

통제권을 가지고 집행 실행을 하게 되는 거예요 자 그럼 이 컨텍스트 스위칭은 구체적으로 어떤 과정으로 일어나는지

가 중요한데요 이게 다른 프로세스끼리 스위칭 될 때랑 답장 프로세스의 상태 레지스터들끼리의

스위칭에 따라서 조금 다릅니다 그래서 이 다른 프로세스끼리 스위칭 될 때 프로세스의 컨텍스트 스위칭이라고

하구요 이같은 프로세스에 속하는 스레드를 끼리 에 스위치 늘 쓰레드 컨텍스트 스위칭 이라고 합니다

자 그러면 이 둘의 공통점은 무엇이냐 일단은 커널 모드에서 실행해야 여기서 커널 모드 라는 말은 이 프로세스

가 원래 쭉 실행이 되다가 하드웨어와 밀접한 일들 혹은 컴퓨터 있는 여러 리소스들을 자료에 되는 그런 상황이 오면 은

이때는 프로세스가 직접 컴퓨터에 있었어요 접근하는 것이 아니라 이 운영체제를 통해서 접근하게 되는데

특히 이 운영체제에서 도의 커널을 통해서 접근을 하게 됩니다 이때 이 프로세스에서 커널로 통제 거리

넘어가서 커널에 의해서 실행되는 것을 커널 모드 라고 해요 그래서 컨텍스트 스위치 는 일단은 통제권이 커널로

넘어가기 때문에 커널 모드에서 실행됩니다 그리고 CPU 에 레지스터 상태를 교체를 해요 요 CPU 레지스터 상태를 교체 한다는 말이 무슨

말이냐면 CPU 가 이렇게 있습니다 CPU 안에는 여러가지 레지스터가 있다고 했어요 이 레지스터는 각종

명령어를 수행하기 위해 필요한 여러 데이터들을 저장하는 존재입니다 그러면 프로세스 1이 CPU 에서 실행되고 있을 동안 이 레지스터의

여러가지 값들이 계속 바뀌면서 실행되고 있었을 거에요 그러다가 이제 다른 프로세스의 2가 실행을 하게

되면 2 CPU 에 실행되고 있던 프로세스 1의 레지스터 상태들을 어딘가에 저장을 하고 2를 실행을 하게 되는 겁니다 이때 왜 어딘가에

레지스터 상태를 촬영을 하냐 며 그래야 나중에 다시 프로세스 1을 실행했을 때 어디까지 실행

됐는지 정보를 알고 있어요 그리고 그 때의 상태 정보를 알고 있어야 다시 이어서 실행을 할 수 있기 때문이죠 그래서 기존 프로세스의 컨텍스트

스위칭이든 스레드의 컨텍스트 스위칭이든 공통점은 뭐냐면 커널 모드에서 실행이 된다는 것과 CPU

의 레지스터 상태를 교체한다는 점입니다 자 그럼 이제 이 둘의 차이점이 무엇인지 살펴보겠습니다

같은 프로세스에 속하는 쓰레드들끼리의 컨텍스트 스위치는 같은 프로세스에 속하기 때문에 그

프로세스의 메모리 영역을 공유한다고 배웠습니다 그래서 스위칭이라도 메모리와 관련해서는 4녀 챙겨야

될 부분이었는데 문제는 다른 프로세스에 속하는 쓰레드들끼리 컨텍스트 스위칭이 일어났을 때 즉

프로세스가 4 스위칭이 일어났을 때 메모리 주소 체계가 다르거든요 메모리 주소 체계가 다르기 때문에 이때는 내

모리 주소 관련된 처리를 추가로 수행을 해 줘야 됩니다 그래서 MMU라고 불리는 메모리 매니지먼트 유닛도 새로운 프로세스의 주소 체계를 바라볼

수 있도록 수정을 해줘야 되구요 TLB라고 불리는 가상 메모리 주소와 실제 물리적인 메모리 주소에 매핑 정보를 들고 있는

테이블 캐시 역할을 하는 TLB도 완전히 키워 줘야 됩니다 자 이 테이블과 TLB가 어떤 의미인지는 이번 영상에서는 범위를

벗어나는 내용이기 때문에 자세히 설명하지 않습니다만 중요한 것은 서로 다른 프로세스를 컨텍스트 스위칭이 발생했을 때는 이 가상의

메모리 주소 체계도 바꾸어 줘야 하기 때문에 2가지로 이 주소 체계와 관련해 처리를 하는 일들이 발생한다는 것을 기억하셔야 됩니다

자 그러면 이제 예제를 통해서 살펴 볼게요 먼저 같은 프로세스에 속하는 스레드들끼리의 컨텍스트 스위칭이

어떻게 일어나는지 살펴보겠습니다 여기 스레드 t1 이 있고 스레드 t2 가 있습니다 얘들은 같은 프로세스

에 속해 있어요 자 이렇게 둘 다 실행이 되고 있다고 했을 때 먼저 t1 의 실행이 되고 있다가 자신의 타임 슬라이스를 다 썼거나

아니면 I/O 작업을 하러 가야 되서 다른 스레드로 교체가 되는 상황이 발생했어요 그럼 컨텍스트 스위칭이

일어나겠죠 그럼 이 때의 컨텍스트 스위칭이 발생하고 커널 모드로 들어갑니다 즉 통제권을

커널에 넘겨 주는 거죠 그럼 이때 스레드 t1 은 CPU 에서 동작하고 있던 자신의 상태 정보 뭐

레지스터 들에 있었던 여러 값들을 다 저장을 해야 됩니다 그래서 키워드 의 cpu 상태를 저장합니다 그리고 이제 t2 가 실행이 되어야 되기

때문에 쭉 아이젠 실행됐다 가 잠시 다른 i5 작업을 하러 갔던 것이었다면 4 t2 에 이전 정보 이전에 cpu 상세정보를

불러야 되겠죠 이렇게 하고 나서 이제 커널 모드 는 종료가 됩니다 커널 모드 되고 이제 다시 통제권 은 이제 유저

뭐 지금은 제 쓰레드 추가 되겠죠 g2 로 넘어와서 집중 아 실행을 하게 됩니다 치통에 또 실행을 하다가 자신만의

타임 슬라이스를 다 썼거나 아니면 뭐 다른 i5 작업들을 하루 가야 되는 상황이 발생했다면 다시 또 커

텍스트를 스위치 발생을 하게 되고 커널 모드로 진입하게 됩니다 이때 마찬가지로 c2 도 똑같이 자신의

CPU 상태 정보를 저장을 해야 되겠죠. 그래 또 다음 번에 이어서 시작할 수 있으니까요. 그래서 tool CPU 상태를 저장하고

자, 사실 T1, T2 실행을 이제 해야 됩니다. 그래서 앞전에 여기서 이제 저장해 뒀던 CPU 상태 정보를 불러와야 돼요. 그래서

T1의 CPU 상태를 로딩합니다. 그리고 나서 커널 모드는 이제 경로가 되고 다시 쓰레드 T1이 실행을 하게 되는 거죠.

그래서 지금 이렇게 보신 것처럼 일단 같은 프로세스에 속하는 쓰레드들끼리의 컨텍스트 스위칭은

커널 모드로 진입을 하고 CPU 상태를 이렇게 교체하는 것으로 컨텍스트 스위치는 끝이

납니다. 그럼 이번에는 서로 다른 프로세스의 쓰레드들끼리의 컨텍스트 스위칭이 어떻게 일어나는지 볼게요.

그러니까 서로 다른 프로세스의 쓰레드 간의 컨텍스트 스위칭이 어떻게 일어나는지 볼게요 그럼 이 예제가 살짝 바뀝니다

자 이제는 t1 t2 가 서로 다른 프로세스에 속하기 때문에 이런 식으로 표현을 해 주겠습니다 이제 t1 은 프로세스 p1 의

쓰레드이고 t2 는 프로세스 p2 에 소속된 쓰레드입니다 그럼 이렇게 서로 다른 프로세스의 쓰레드들이 스위칭이

발생하면 어떤 일이 일어날까요 이 예제에서 무엇이 추가되냐면 바로 이 부분이 추가됩니다 지금 핑크색으로 표

시된 부분에서 메모리와 관련된 처리가 일어나요 왜냐하면 p1 과 p2 는 서로 다른 프로세스이기 때문에 서로

다른 프로세스는 서로 다른 독립적인 메모리 영역을 가지고 있잖아요 그렇기 때문에 컨텍스트 스위치가 일어나면

메모리 관련해서도 초기화를 해줘야 스위칭 돼서 이제 새롭게 시작되는 프로세스는 요 기사는 프로세스라고

할게요 프로세스 다 자기가 회복된 주소 책의 에 접근할 수 있게 됩니다 그래서 가령 쓰레드 t1 2 t2로

바뀌었을 때 즉 프로세스의 원해서 프로세스의 투로 컨텍스트 스위칭이 발생했을 때에 이 영역에서 어떤 일이

일어나려면 mmu라고 풀리는 메모리 매니지먼트 유닛 프로세스의 투에 메모리의 공간을 바라보게 해요

그리고 킬 비 라는 것 있잖아요 가상의 메모리 주소와 실제 물리적인 메모리 주소 맵핑 정보를 담고 있는

이 캐시 tlb를 완전히 비워 주게 됩니다 이렇게 비워줘야 이 쓰레드 t2 그러니까 프로세스 투자 어이

프로세스 추가 로딩 됐을 때 자신의 메모리 영역에 접근할 수 있게 됩니다. 만약 이 작업을 해 주지 않으면 p2

가 시작하고 나서 자체 찰 못하면 p1 의 메모리 주소 영역에 접근해 버릴 수도 있겠죠. 그래서 이 작업이 작업이

반드시 수행되어야 됩니다. 뒤이어서 마찬가지로 이 부분에서도 이제는 메모리 매니지먼트 유닛이 p1 의

메모리 주소 영역을 알아 보도록 해야 되고, kernel 비도 타실 필요가 있습니다. 그래야 p1 의 실행이 됐을 때 그

앞쪽에 시작했던 스레드 2 의 메모리 영역으로 잘못 접근하는 일이 발생하지 않을 수 있습니다. 그래서 이번에도

다른 메모리 주소에 접근할 수도 있도록 하기 위해서 이런 작업들을 해줘야 되는 거죠. 그래서 같은 프로세스 내에 스레드끼리의 컨텍스트 스위칭이

일어나는 것에 비해서 다른 프로세스에 속한 1개의 스레드를 끼리 컨텍스트 스위칭이 일어났을 때는 요 영역 2

영역들이 부가적으로 발생한다 이렇게 이해를 하시면 될 것 같아요 자 앞에 예를 통해 이제 왜 스레드 컨텍스트 스위치가 프로세스의

컨텍스트 스위칭보다 가볍고 빠른지 2 하셨을 겁니다 사실 정리하면 스레드 컨텍스트 스위칭

이라는 것은 같은 프로세스에 속하는 스레드 끼리의 스위칭이잖아요 일어난 스레드들은 같은 메모리 공간을

컨텍스트 스위칭 뽀개기! 의미와 종류와 왜 스레드 컨텍스트 스위칭이 더 빠르다고 하는지까지..! 이 모든 것을 시원~~하게 설명합니다!!

8년차 백엔드 개발자가 배워서 남주려고 만든 채널이에요

알기 쉽게 설명합니다

함께 성장했으면 좋겠어요 :)


#컴공맛집 #백엔드전문채널


쉬운코드

컨텍스트 스위칭의 개념 및 필요성

컨텍스트 스위칭은 CPU에서 프로세스 또는 쓰레드가 다른 것으로 교체되는 것

하나의 프로세스는 기본적으로 하나의 쓰레드를 가지며, 쓰레드가 CPU 실행의 기본 단위

컨텍스트는 프로세스 또는 쓰레드의 상태, 특히 CPU 레지스터 상태를 의미

컨텍스트 스위칭은 여러 프로세스/쓰레드를 동시에 실행하기 위해 필요

컨텍스트 스위칭 발생 시점: 타임 슬라이스 소진, I/O 작업, 리소스 대기 등

컨텍스트 스위칭의 실행 및 과정

컨텍스트 스위칭은 OS 커널에 의해 실행되며, 커널은 컴퓨터 리소스를 관리

프로세스 컨텍스트 스위칭과 쓰레드 컨텍스트 스위칭의 차이점 존재

두 스위칭 모두 커널 모드에서 실행되며 CPU 레지스터 상태를 교체

차이점: 프로세스 스위칭은 메모리 주소 체계가 달라 MMU와 TLB 처리 필요

쓰레드 컨텍스트 스위칭 과정 예시

같은 프로세스 내 스레드 간 스위칭: 커널 모드 진입, CPU 상태 저장 및 로딩

프로세스 컨텍스트 스위칭 과정 예시

다른 프로세스의 쓰레드 간 스위칭: 메모리 관련 처리 추가 (MMU, TLB)

프로세스 스위칭은 메모리 주소 변경 작업으로 인해 쓰레드 스위칭보다 느림

컨텍스트 스위칭의 간접적 영향 및 결론

캐시 오염: 컨텍스트 스위칭 후 캐시에 필요한 데이터가 없을 가능성 증가, 성능 저하

컨텍스트 스위칭은 어플리케이션 관점에서 순수한 오버헤드

멀티태스킹 시스템에서의 컨텍스트 스위칭 동작 방식 설명