네, 반갑습니다. 이 영상을 보신 후엔 왜 스레드 컨텍스트 스위칭이 프로세스의 컨텍스트 스위칭보다 더 빠른지 이해하실 수 있습니다.

자, 그럼 오늘도 let's core! 자, 컨텍스트 스위칭이 뭐냐? 컨텍스트 스위칭은 CPU 혹은 코어에서 실행 중이던 프로세스나 스레드가 다른 프로세스나 다른 스레드로 교체되는 것을 말합니다.

자, 여기 하나 짚고 넘어가고 싶은 게 있는 게, 자, 오늘날의 컴퓨터에서는 하나의 프로세스는 기본적으로 하나의 스레드를 가집니다.

왜냐하면 이 스레드가 CPU에서의 혹은 코어에서의 실행되는 기본 단위 이기 때문이죠.

자, 그래서 프로세스에서 프로세스로 교체된다는 말은 사실 엄밀히 말하면 어떤 프로세스의 안에 실행되는 스레드가 다른 프로세스의 안에 실행되는 스레드로 바뀐다는 말입니다.

서로 다른 프로세스에 소속된 스레드 들이 바뀌는 것이기 때문에 이때는 프로세스가 교체된다고 얘기를 할게요.

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

여기서 이제 상태라는 것은 CPU에서의 상태 그리고 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 한번 찾아보시길 바랍니다.

자 그럼 컨텍스트 스위칭은 왜 필요한가?

이건 우리가 앞선 영상 프로세스 스레드 설명할 때 살펴봤었죠. 여러 프로세서 그 스레드를 동시에 동시에 실행시키기 위함입니다.

자 그럼 컨텍스트 스위칭은 언제 발생하는가? 주어진 타임 슬라이스, 퀀텀이라고 하는 주어진 아주 짧은 타임 슬라이스를 프로세스 혹은 스레드가 다 사용했거나 혹은 I/O 작업을 하러 가야 되거나 혹은 다른 프로세스와 스레드 해서 이미 사용하고 있는 리소스를 기다려야 하거나 뭐 그 외에도 여러 가지 이유가 있습니다.

인터럽트가 걸렸다든지 등등 여러 이유가 있어요.

어쨌든 이런 이유로 컨텍스트 스위칭이 발생하게 됩니다.

자, 그러면 멀티태스킹 시스템에서 컨텍스트 스위칭이 어떻게 되는지 한번 예를 통해서 살펴볼게요.

먼저 프로세스 두 개가 있다고 해 보겠습니다.

P1이 있고 P2가 있습니다. 그리고 여기에 CPU가 하나 있어요. 이러한 시간의 흐름이 있을 겁니다.

자, 그러면 멀티태스킹 시스템이라고 하는 것은 우리가 앞선 영상에서 살펴보았던 것처럼 CPU 타임을 아주 짧은 타임 슬라이스로 쪼개서 그 타임 슬라이스를 퀀텀이라고 불리는 그 타임 슬라이스를 서로 나눠 가지면서 실행한다고 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 P2가 실행되고 또 아주 짧은 시간 동안 P2가 실행되다가 그 타임이 다 끝났거나 또 다른 I/O 작업하러 가게 되면 다시 또 P1이 실행되고 이런 식으로 동작을 하게 된다고 말씀드렸습니다.

그래서 아주 짧은 시간 동안 번갈아 가면서 실행을 하게 되기 때문에 사용자 입장에서는 여러 프로그램이 즉각적으로 넘어가기 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, 즉 총괄해서 컨텍스트 스위칭을 처음부터 끝까지 수행하는 존재가 누구인지 설명 드리는 것이지 컨텍스트 스위칭을 누가 트리거하는가 혹은 누가 발생시키는 것을 얘기하는 게 아닙니다.

헷갈리시면 안 돼요. 컨텍스트 스위칭은 누구에 의해서 실행되는가?

OS의 커널에 의해서 실행이 됩니다. 이 커널이라는 것은 뭐냐면, 운영체제, OS라고 표현된 이 운영체제에서도 가장 핵심적인 기능을 담당하는 존재예요.

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 일어나는지가 중요한데요.

이게 다른 프로세스 끼리 스위칭될 때랑, 같은 프로세스에 속한 스레드들끼리의 스위칭에 따라서 조금 다릅니다.

그래서 이 다른 프로세스끼리의 스위칭을 프로세스 컨텍스트 스위칭이라고 하구요.

이 같은 프로세스에 속하는 스레드들끼리의 스위치를 스레드 컨텍스트 스위칭이라고 합니다.

자 그러면 이 둘의 공통점은 무엇이냐?

일단은 커널 모드에서 실행해야 합니다. 여기서 커널 모드라는 말은 이 프로세스 1이 쭉 실행이 되다가 하드웨어와 밀접한 일들, 곧 컴퓨터에 있는 여러 리소스들을 다루게 되는 그런 상황이 오면은 이때는 프로세스가 직접 컴퓨터에 있을 리소스에 접근하는 것이 아니라 이 운영체제를 통해서 접근하게 되는데, 특히 이 운영체제에서도 이 커널을 통해서 접근을 하게 됩니다.

이때 이 프로세스에서 커널로 통제권이 넘어가서 커널에 의해서 실행되는 것을 커널 모드라고 해요.

그래서 컨텍스트 스위치는 일단은 통제권이 커널로 넘어가기 때문에 커널 모드에서 실행됩니다.

그리고 CPU의 레지스터 상태를 교체를 해요.

이 CPU 레지스터 상태를 교체한다는 말이 무슨 말이냐면 CPU가 이렇게 있습니다.

CPU 안에는 여러 가지 레지스터가 있다고 했어요.

이 레지스터는 각종 명령어를 수행하기 위해 필요한 여러 데이터들을 저장하는 존재입니다.

그러면 프로세스 원이 CPU에서 실행되고 있을 동안 이 레지스터의 여러 가지 값들이 계속 바뀌면서 실행되고 있었을 거예요.

그러다가 이제 다른 프로세스 2가 실행을 하게 되면 이 CPU에 실행되고 있던 프로세스 원의 레지스터 상태들을 어딘가에 저장을 하고 2를 실행을 하게 되는 겁니다.

이때 왜 어딘가에 레지스터 상태를 저장을 하냐면 그래야 나중에 다시 2 이후에 1이 실행했을 때 어디까지 실행 됐는지 정보를 알고 있어야 하고, 그때의 상태 정보를 알고 있어야 다시 이어서 실행을 할 수 있기 때문이죠.

그래서 이 프로세스의 컨텍스트 스위칭이든 스레드의 컨텍스트 스위칭이든 공통점은 뭐냐면 커널 모드에서 실행이 된다는 것과 CPU의 레지스터 상태를 교체한다는 점입니다.

자 그럼 이제 이 둘의 차이점이 무엇인지 살펴보겠습니다.

같은 프로세스에 속하는 스레드들끼리의 컨텍스트 스위치는 같은 프로세스에 속하기 때문에 그 프로세스의 메모리 영역을 공유한다고 배웠습니다.

그래서 스위칭이라도 메모리와 관련해서 챙겨야 될 부분이었는데 문제는 다른 프로세스에 속하는 스레드들끼리 컨텍스트 스위칭이 일어났을 때 즉 프로세스가 스위칭 일어났을 때 메모리 주소 체계가 다르거든요.

메모리 주소 체계가 다르기 때문에 이때는 메모리 주소 관련된 처리를 추가로 수행을 해 줘야 됩니다.

그래서 MMU 라고 불리는 메모리 매니지먼트 유닛도 새로운 프로세스의 주소 체계를 바라볼 수 있도록 수정을 해 줘야 되고요.

TLB라고 불리는 가상 메모리 주소와 실제 물리적인 메모리 주소의 매핑 정보를 들고 있는 캐시, 이 캐시 역할을 하는 TLB도 완전히 비워 줘야 됩니다.

자, 이 MMU와 TLB가 어떤 의미인지는 이번 영상에서는 범위를 벗어나는 내용이기 때문에 자세히 설명하지 않습니다만 중요한 것은 서로 다른 프로세스 간에 컨텍스트 스위칭이 발생했을 때는 이 가상의 메모리 주소 체계도 바꾸어 줘야 하기 때문에 부가적으로 이 주소 체계 관련된 처리를 하는 일들이 발생한다는 것을 기억하셔야 됩니다.

자, 그러면 이제 예제를 통해서 살펴볼게요. 먼저 같은 프로세스에 속하는 스레드들끼리의 컨텍스트 스위칭이 어떻게 일어나는지 살펴보겠습니다.

여기 스레드 T1이 있고 스레드 T2가 있습니다. 얘들은 같은 프로세스 에 속해 있어요.

자, 이렇게 이제 CPU가 있고 실행이 된다고 했을 때 먼저 T1이 실행이 되고 있다가 자신의 타임 슬라이스를 다 썼거나 아니면 I/O 작업을 하러 가야 돼서 다른 스레드로 교체가 되는 상황이 발생했어요.

그럼 컨텍스트 스위칭이 일어나겠죠? 그럼 이때의 컨텍스트 스위칭이 발생하고 커널 모드로 들어갑니다.

이 통제권을 커널에 넘겨주는 거죠.

그럼 이때 T1 스레드 T1은 CPU에서 동작하고 있던 자신의 상태 정보, 뭐 레지스터들에 있었던 여러 값들을 다 저장을 해야 됩니다.

그래서 T1의 CPU 상태를 저장합니다. 그리고 이제 T2가 실행이 되어야 되기 때문에, T2가 이제 실행됐다가 잠시 다른 I/O 작업을 하러 갔던 것이었다면 T2의 이전 정보, 이전에 CPU 상태 정보를 불러야 되겠죠.

이렇게 하고 나서 이제 커널 모드는 종료가 됩니다. 종료가 되고 이제 다시 통제권은 이제 유저 모드, 지금은 이제 스레드 T2가 되겠죠.

T2로 넘어와서 T2가 실행을 하게 됩니다. T2도 실행을 하다가 자신만의 타임 슬라이스를 다 썼거나 아니면 뭐 다른 I/O 작업들을 하러 가야 되는 상황이 발생했다면 다시 또 컨텍스트 스위치가 발생을 하게 되고 커널 모드로 진입하게 됩니다.

이때 마찬가지로 T2도 똑같이 자신의 CPU 상태 정보를 저장을 해야 되겠죠.

그래야 또 다음번에 이어서 시작할 수 있으니까요.

그래서 t2의 CPU 상태를 저장하고 자, 사실 t1이 실행을 이제 해야 됩니다.

그래서 앞전에 여기서 이제 저장했었던 t1의 CPU 상태 정보를 불러와야 돼요.

그래서 t1의 CPU 상태를 로딩합니다.

그리고 나서 커널 모드는 이제 종료가 되고 다시 스레드 t1이 실행을 하게 되는 거죠.

그래서 지금 이렇게 보신 것처럼 일단 같은 프로세스에 속하는 스레드들끼리의 컨텍스트 스위칭은 커널 모드로 진입을 하고 스레드의 CPU 상태를 이렇게 교체하는 것으로 컨텍스트 스위치는 끝이 납니다.

그럼 이번에는 서로 다른 프로세스에 속하는 스레드들끼리의 컨텍스트 스위칭이 어떻게 일어나는지 볼게요.

그러니까 서로 다른 프로세스끼리의 컨텍스트 스위칭이 어떻게 일어나는지 볼게요.

그럼 이 예제가 살짝 바뀝니다. 자, 이제는 t1, t2가 서로 다른 프로세스에 속하기 때문에 이런 식으로 표현을 해 주겠습니다.

이제 T1은 프로세스 P1에 소속된 쓰레드고 이제 T2는 프로세스 P2에 소속된 쓰레드입니다.

그럼 이렇게 서로 다른 프로세스에 소속된 쓰레드들이 스위칭이 발생하면 어떤 일이 일어날까요?

이 예제에서 무엇이 추가되냐면 바로 이 부분이 추가됩니다.

지금 빗금 친 이 회색 부분에서 메모리와 관련된 처리가 일어나요.

왜냐하면 P1과 P2는 서로 다른 프로세스이기 때문에 서로 다른 프로세스는 서로 다른 독립적인 메모리 영역을 가지고 있잖아요.

그렇기 때문에 컨텍스트 스위치가 일어나면 이 메모리 관련해서도 처리를 해줘야 스위칭 돼서 이제 새롭게 시작되는 프로세스는, 요기서는 프로세스라고 할게요.

프로세스가 자기가 할당된 주소 체계에 접근할 수 있게 됩니다.

그래서 가령 쓰레드 T1이 T2로 바뀌었을 때, 즉 프로세스 P1에서 프로세스 P2로 컨텍스트 스위칭이 발생했을 때에 이 영역에서 어떤 일이 일어나냐면 MMU라고 불리는 메모리 매니지먼트 유닛이 프로세스 P2의 메모리 공간을 바라보게 해요.

그리고 TLB라는 것 있잖아요. 가상의 메모리 주소와 실제 물리적인 메모리 주소의 매핑 정보를 담고 있는 이 캐시 TLB를 완전히 비워 주게 됩니다.

이렇게 비워줘야 이 스레드 T2, 그러니까 프로세스 P2가 어, 이 프로세스 P2가 로딩됐을 때 자신의 메모리 영역에 접근할 수 있게 됩니다.

만약 이 작업을 해주지 않으면 P2가 시작하고 나서 자칫 잘못하면 P1의 메모리 주소 영역에 접근해 버릴 수도 있겠죠?

그래서 이 작업이 반드시 수행되어야 됩니다.

뒤이어서 마찬가지로 이 부분에서도 이제는 메모리 매니지먼트 유닛이 P1의 메모리 주소 영역을 알아보도록 해야 되고 TLB도 다시 비워줘야 됩니다.

그래야 이 T1의 실행이 됐을 때 그 앞쪽에 시작했다 스레드 T2의 메모리 영역으로 잘못 접근하는 일이 발생하지 않을 수 있습니다.

그래서 이번에도 다른 메모리 주소에 접근할 수 있도록 하기 위해서 이런 작업들을 해줘야 되는 거죠.

그래서 같은 프로세스 내에 스레드끼리의 컨텍스트 스위칭이 일어나는 것에 비해서 다른 프로세스에 속한 스레드끼리 컨텍스트 스위칭이 일어났을 때는 요 영역, 이 영역들이 부가적으로 발생한다 이렇게 이해를 하시면 될 것 같아요.

자, 앞의 예를 통해 이제 왜 스레드 컨텍스트 스위칭이 프로세스의 컨텍스트 스위칭보다 가볍고 빠른지 이해하셨을 겁니다.

다시 정리하면 스레드 컨텍스트 스위칭이라는 것은 같은 프로세스에 속하는 스레드끼리의 스위칭 거잖아요.

이 스레드들은 같은 메모리 공간을 공유하기 때문에 메모리 주소 관련해서는 따로 바꿔줄 것이었고 CPU의 상태 정보만 바꿔주면 되기 때문이죠.

자, 컨텍스트 스위칭이 미치는 간접적인 영향 됐습니다.

이제 캐시 오염이라고 하는 부분인데 무슨 말이냐면 자, 이렇게 CPU가 있고 CPU 안에는 기본적으로 캐시라는 것이 있습니다.

여기서 캐시는 뭐냐면 메모리에서 데이터를 이렇게 주고 받는데 항상 메모리에 접근하는 것보다는 자주 쓸 것 같은 것들은 이 캐시에 올려놓고 메모리에 가는 대신에 이 캐시에 있는 정보를 사용하겠다는 그런 의미거든요.

그러면 메모리까지 가지 않아도 바로 CPU에 같이 붙어 있는 캐시로부터 데이터를 읽어오면 되니까 좀 더 빠른 거죠.

그래서 이런 캐시 정책을 펴게 되는데 문제는 컨텍스트 스위칭이 발생을 하게 되면 서로 다른 데이터들인 거잖아요.

서로 다른 데이터들이기 때문에 이 캐시에 있는 값들이 오염이 된다고 합니다.

컨텍스트 스위칭이 된 직후에 캐시를 가봤자 어차피 캐시에는 이전에 프로세스나 스레드에서 실행했던 정보들을 지니고 있을 것이기 때문에 내가 필요로 하는 정보는 없을 가능성이 더 크다는 겁니다.

하지만 같은 프로세스에 속한 스레드들끼리의 컨텍스트 스위칭인 경우에는 같은 프로세스에 속한 스레드끼리는 같은 메모리 영역을 공유하기 때문에 캐시에서도 내가 찾는 데이터가 있을 가능성이 좀 더 크지만 아예 다른 프로세스끼리의 컨텍스트 스위칭인 경우에는 이 캐시에 내가 찾은 데이터가 없겠죠.

왜냐면 프로세스끼리는 메모리 영역을 전혀 공유하지 않기 때문에. 그래서 이 컨텍스트 스위칭이 간접적으로 어떤 영향을 미친다면 캐시를 오염시켜 가지고 컨텍스트 스위칭 직후에는 캐시에 가봤자 내가 찾는 데이터가 없기 때문에 다시 메모리까지 가야 되고 그러다 보면 처리 속도가 조금 떨어져서 그래서 성능에 조금 더 안 좋은 영향을 끼치게 됩니다.

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


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

Scripts