[CS] 운영체제 PCB, 컨텍스트 스위칭

1. PCB (Process Control Block)

- 운영체제가 프로세스를 제어하기 위해 정보를 저장해 놓는 곳으로

프로세스의 상태 정보를 저장하는 구조체이다

- 프로세스 상태 관리와 문맥교환 (Context Switching)을 위해 필요하다

- PCB는 프로세스 생성 시 만들어지며 주기억장치에 유지된다

 

PCB는 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터를 말한다

 

프로세스 제어 블록이라고도 한다

 

프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성한다

 

프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고

프로세스 주소 값들에 앞서 설명한 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당된다

그리고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리된다

 

이는 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에

일반사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리된다

 

2. PCB 간략하게 예시로 정리 해보기

위에서 설명한게 무슨말인가 싶다...간략하게 예시를 통해 알아보자면

 

우리는 지금 인터넷을 사용하고 있다

인터넷 하면서 음악도 듣고, 채팅도 할 수 있다

어떻게 컴퓨터는 이많은 일들을 동시에 할 수 있을까?

 

사실 컴퓨터는 이를 동시에 처리하지 않는다

Time Sharing 이라고 해서 짧은 시간동안 왔다갔다 번갈아서

재빨리 처리해주는 것인데 이 방법이 아주 효율적이고

빨라서 우리가 제대로 느끼지 못할 뿐이다

이게 가능한 이유가 바로 운영체제라는 프로그램 덕분이다

 

이렇게 프로세스들이 교체되어 수행되고 나면 다시 프로세스를 불러와야하는데

이 말은 이전 작업에 대한 내용을 기억하고 있다는 것이다

 

프로세스 단위로 정보를 저장해주는 Block이 있는데

이게 바로 PCB가 되는 것이다

 

우리의 운영체제는 하드웨어가 효율적으로 동작할 수 있도록 관리해주는

즉 소프트웨어 프로그램이다

 

따라서 운영체제라는 프로그램이 프로세스를 하나 만들어서 실행하려면

그 프로세스와 관련된 데이터 구조가 당연히 있어야한다

 

그것을 PCB라고 부르는것이다

즉 프로세스가 만들어지면 그 프로세스에 저장되어야 할 데이터들을

하나의 structure로 만들어 놓은 것을 뜻한다

이런 블럭들이 있어서 스위칭 되어도 기억을 하고 이어서 실행할 수 있다

 

PCB란 운영체제가 프로세스에 대한 중요한 정보를저장해 놓을 수 있는 저장 장소를 뜻한다

 

3. PCB의 구조

 

PCB는 프로세스 스케줄링 상태, 프로세스 ID 등의

아래와 같은 정보로 이루어져 있다

 

- 프로세스 스케줄링 상태

'준비', '일시중단' 등 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태

 

- 프로세스 ID

프로세스 ID, 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID

 

- 프로세스 권한

컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보

 

- 프로그램 카운터

프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터

 

- CPU 레지스터

프로세스를 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보

 

- CPU 스케줄링 정보

CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간 등에 대한 정보

 

- 계정 정보

프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보

 

- I/O 상태 정보

프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록

 

4. 컨텍스트 스위칭 (Context Switching)

 컨텍스트 스위칭은 앞서 설명한 PCB를 교환하는 과정을 말한다

 

한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다

 

컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만

 

어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한개이며

 

많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의

 

컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문이다

 

하지만 요즘 컴퓨터는 멀티코어 이상의 CPU를 가지기 때문에

 

한 시점에 한 개의 프로그램이라는 설명은 틀리다

 

하지만 컨텍스트 스위칭을 설명할 때는 싱글코어를 기준으로 하겠다

 

 

한 개의 프로세스 P0이 실행하다 멈추고

프로세스 P0의 PCB를 저장하고 다시 프로세스 P1을 로드해 실행한다

그리고 다시 프로세스 P1의 PCB를 저장하고

프로세스 P0의 PCB를 로드하고 실행한다

 

컨텍스트 스위칭이 일어날 때 앞의 그림처럼 유휴시간 (idle time)이 발생한다

이 뿐만 아니라 컨텍스트 스위칭에 드는 비용이 더 있는데 캐시미스 이다

 

비용 : 캐시미스

컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가

그대로 잇으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시 클리어 과정을 겪게 되고

이 때문에 캐시미스가 발생한다

 

스레드에서의 컨텍스트 스위칭

참고로 이 컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 일어난다

스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에

스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸린다