컨텍스트 스위칭(Context Switching)의 정의와 비용

1. 컨텍스트 스위칭의 정의

• 정의: 컨텍스트 스위칭은 CPU(중앙 처리 장치)가 현재 실행 중인 프로세스나 스레드의 상태를 저장하고, 새로운 프로세스나 스레드로 전환할 때, 이전 상태를 복구하는 작업입니다.
• 쉽게 말하면: 여러 작업을 동시에 처리할 때, CPU가 하나의 작업을 멈추고 다른 작업을 잠시 처리하는 것과 같아요. 예를 들어, 학교에서 선생님이 수업 중에 갑자기 다른 학생의 질문에 답해주고, 다시 원래 수업으로 돌아오는 것과 비슷합니다.

2. 컨텍스트 스위칭의 과정

• 컨텍스트(Context)

  : 프로그램의 현재 상태를 저장하는 정보입니다. 여기에는

  프로세서 레지스터 값

  ,

  프로세스의 메모리 주소

  ,

  프로그램 카운터(PC)

  등이 포함됩니다.

  • 쉽게 말하면: 작업 중인 내용을 적어둔 메모지 같은 거예요. 작업을 멈출 때 메모지에 내용을 적어두고, 다시 돌아와서 그 메모지를 보고 이어서 일을 하는 거죠.

• 컨텍스트 저장: CPU는 현재 실행 중인 프로세스나 스레드의 상태를 저장합니다.

• 새로운 컨텍스트 로드: CPU는 다음에 실행할 프로세스나 스레드의 상태를 불러와서 작업을 시작합니다.

• 이 과정에서 저장된 상태는 메모리에 보관되며, 필요할 때마다 불러와서 다시 작업을 이어갈 수 있습니다.

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3. 컨텍스트 스위칭의 비용

컨텍스트 스위칭에는 시간과 자원이 필요합니다. 이때 발생하는 비용은 시스템 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

• 시간 소모

  : 컨텍스트 스위칭 중에는 CPU가 아무 작업도 하지 않고, 상태 저장과 복구 작업에만 집중하게 됩니다. 그동안 실제로 프로그램이 실행되지 않기 때문에, 이 시간을 오버헤드(Overhead)라고 합니다.

  • 쉽게 말하면: 선생님이 수업을 멈추고 질문에 답하는 동안, 수업은 잠시 멈춘 상태가 되는 것과 같아요. 그동안 학생들은 기다려야 하죠.

• 메모리 자원 소모

  : 상태 정보를 저장하고 복구하는 데 메모리가 필요합니다. 만약 동시에 실행 중인 프로세스나 스레드가 많아지면, 컨텍스트 스위칭에 필요한 메모리 사용량도 증가합니다.

  • 쉽게 말하면: 메모지를 많이 사용하면 책상이 어지러워지는 것처럼, 상태 정보를 많이 저장하면 메모리 공간도 어지럽혀집니다.

• 캐시 무효화(Cache Invalidation)

  : 컨텍스트가 전환될 때마다 CPU의 캐시(Cache)에 저장된 데이터가 유효하지 않게 되어, 다시 데이터를 읽어오는 작업이 필요할 수 있습니다. 캐시는 CPU가 자주 사용하는 데이터를 빠르게 접근하기 위해 사용되는 작은 저장 공간입니다.

  • 쉽게 말하면: 책을 읽다가 책갈피를 끼워두었는데, 갑자기 다른 책으로 넘어가서 그 책갈피가 쓸모없어지는 것과 비슷해요. 새로운 책을 읽으려면 다시 처음부터 찾아야 하니까 시간이 더 걸리죠.

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4. 컨텍스트 스위칭의 장단점

• 장점:

  • 멀티태스킹(Multitasking) 지원

    : 컨텍스트 스위칭 덕분에 컴퓨터는 여러 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보일 수 있습니다. 예를 들어, 음악을 들으면서 웹 서핑을 할 수 있는 것도 컨텍스트 스위칭 덕분입니다.

    • 쉽게 말하면: 선생님이 한 번에 여러 과목을 가르치며 수업을 진행하는 것과 같아요. 질문에 답해주면서도 수업을 계속 이어나갈 수 있는 거죠.

  • 응답성 향상: 사용자 인터페이스 프로그램에서 즉각적으로 반응하도록 돕습니다. 예를 들어, 키보드를 눌렀을 때 컴퓨터가 바로 반응하는 것도 빠른 컨텍스트 스위칭 덕분입니다.

• 단점:

  • 오버헤드 증가

    : 자주 컨텍스트 스위칭이 발생하면 오히려 전체 시스템 성능이 저하될 수 있습니다. 프로그램을 실행하는 대신, 컨텍스트를 저장하고 불러오는 작업에 많은 시간을 소비하게 되기 때문입니다.

    • 쉽게 말하면: 선생님이 수업 중에 질문에 너무 자주 답하느라, 정작 수업 자체는 많이 진행하지 못하는 상황과 비슷해요.

  • 캐시 손실: 자주 전환되면 CPU 캐시의 데이터가 무효화되어, 프로그램의 실행 속도가 느려질 수 있습니다.

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쉽게 요약

• 컨텍스트 스위칭은 여러 작업(프로세스나 스레드)을 교대로 처리하기 위해 CPU가 현재 작업의 상태를 저장하고, 다른 작업으로 전환하는 과정이에요.
• 비용에는 시간을 낭비하는 부분(오버헤드)과 메모리를 많이 쓰는 문제, 캐시 데이터가 초기화되는 문제가 있어요.
• 장점은 여러 작업을 동시에 하는 것처럼 보이게 해주는 능력이고, 단점은 전환이 너무 자주 일어나면 오히려 느려질 수 있다는 점이에요.