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문맥 교환(Context Switching)

• 문맥 교환은 CPU를 차지하던 프로세스가 나가고 새로운 프로세스를 받아들이는 작업을 말한다.
• 새로운 프로세스를 실행하기 위해 인터럽트가 발생할 때, 진행 중인 프로세스의 레지스터 문맥을 PCB에 저장하고 앞으로 실행될 프로세스의 상태 정보를 설정한 다음에 CPU를 할당하여 실행되도록 하는 작업을 문맥 교환이라고 합니다.

즉, 문맥 교환이란

1. CPU 코어를 다른 프로세스로 교환
2. 현재 프로세스의 상태를 PCB에 저장
3. 다른 프로세스의 상태를 복원하는 작업(task)를 말한다.

• PCB에 저장되는 내용
  • 프로세스 상태
  • PC 값
  • CPU Register
  • CPU 스케쥴링 정보
  • 메모리 관리 정보
  • 할당된 자원 정보
  • 입출력 상태
  • 등등

문맥 교환이 필요한 상황

CPU를 할당받아 실행상태로 전이될 경우거나, 실행중인 CPU 사용 허가시간을 모두 소모하거나, 입출력을 위해 대기해야 하는 경우에 Context Switching이 발생한다. 또한 System call이 걸렸을 때도 발생한다.

1. dispatch
   • Queue 우선 프로세스로 CPU 할당 받아 실행 상태로 전이
2. CPU할당 시간 만료
   • CPU 사용 가능한 할당 시간 초과로 준비 상태로 전이
3. I/O 작업 및 할당
   • I/O 작업이 필요하여 작업 완료 시까지 대기 상태로 전이
4. System Call
   • 또 다른 서비스 호출이 필요한 경우 대기 상태로 전이

• 문맥 교환에서 드는 시간과 메모리의 양을 OverHead라고 한다. 문맥 교환 비용(Overhead)은 프로세스가 스레드보다 많이 든다.
• 프로세스는 공유하는 메모리가 없으므로 캐시 메모리 초기화 등 무거운 작업을 해야하는 반면 스레드는 Stack 영역을 제외하면 Code, Data, Heap 메모리 영역을 공유하고 있기 때문에 Stack 영역만 변경하면 되기 때문이다.

문맥 교환의 오버헤드 해결 방안

1. 문맥 교환이 자주 일어나지 않도록 다중 프로그래밍의 정도를 낮춘다.
2. 스택 중심의 장비에서는 Stack 포인트 레지스터를 변경하여 프로세스 간 문맥 교환을 수행한다.
3. 쓰레드(Thread)를 이용하여 문맥 교환 부하를 최소화한다.