context switching

Instruction execution

프로세스가 시작된 이후 CPU가 프로그램을 실행할 때의 순서

1. 프로세스를 위한 메모리 초기화
2. file -> memory code segment load
3. rip를 메모리 code의 entry point로 이동
4. instruction 실행

PCB (Process Control Block)

운영체제는 여러 프로세스를 동시에 실행해야 하므로, 실행 중인 프로세스를 전환할 때마다 현재 프로세스의 상태를 저장해야 한다. 이를 PCB(Process Control Block) 에 저장하며, PCB는 커널 영역의 메모리에 위치한다.

PCB에는 다음과 같은 정보가 포함된다.

• 프로세스 ID (PID): 프로세스 고유 식별자
• 프로세스 상태 (Process State): 실행(Running), 대기(Waiting), 준비(Ready) 등
• CPU 레지스터 정보: RIP, RSP, RAX 등의 레지스터 값
• 스케줄링 정보: 우선순위, 타임 슬라이스(Quota)
• 메모리 정보: 코드, 데이터, 힙, 스택 영역의 위치
• 파일 핸들 및 입출력 상태

운영체제는 PCB를 이용해 프로세스의 문맥(Context)을 저장 및 복구하며, 이 과정이 Context Switching이다.

Timer Interrupt & Context Switching

운영체제는 특정 프로세스가 CPU를 독점하는 것을 방지하기 위해 타이머 인터럽트(Timer Interrupt) 를 사용한다.

1. 운영체제는 각 프로세스가 CPU를 사용할 수 있는 시간(Quota) 을 설정한다.
2. CPU 내부의 타이머가 일정 시간이 지나면 Timer Interrupt 를 발생시킨다.
3. 인터럽트 핸들러가 호출되어 현재 실행 중인 프로세스의 시간을 체크한다.
4. 만약 할당된 시간이 초과되었으면, 현재 프로세스를 중단하고 Context Switching을 수행한다.

Context switching

1. A 프로세스 실행 중
2. Timer Interrupt 발생 → 커널 모드 진입
3. 현재 A의 레지스터 값을 Kernel Stack에 Push
4. 커널 모드에서 Context Switching Handler 실행
5. A 프로세스의 정보를 PCB에 저장
6. 스케줄러가 다음 실행할 B 프로세스를 결정
7. B의 PCB에서 레지스터 값을 Kernel Stack에 복원 (Pop)
8. B 프로세스의 Kernel Stack에서 User Stack으로 전환
9. 유저 모드로 돌아가 B 프로세스 실행

리눅스 커널 변경사항

과거의 운영체제와 비교할 때, 현대의 리눅스 시스템은 더 최적화된 Context Switching 기법과 효율적인 스케줄러를 사용한다.

https://en.wikipedia.org/wiki/Linux_kernel_version_history

리눅스 2.6 – 선점형 커널 도입

• Preemptible Kernel 추가
  기존 리눅스에서는 커널 모드에서 실행 중인 코드가 끝날 때까지 문맥 전환이 불가능했으나, 리눅스 2.6부터 커널 코드 실행 중에도 선점(Context Switching)이 가능해짐.
  → IO 작업 시에도, context switching 가능
  → 실시간 시스템 및 응답성이 중요한 애플리케이션의 성능 개선

리눅스 3.x – RCU 최적화

• RCU(Read-Copy-Update) 개선
  다중 코어 환경에서 데이터 동기화 시 기존의 락(lock) 기반 방식보다 더 효율적인 RCU 기법을 최적화.
  → 커널 데이터 보호 중에도 Context Switching 오버헤드 최소화

리눅스 4.x – Lazy TLB Switching 도입

• Lazy TLB Switching
  기존 방식은 프로세스 전환 시마다 TLB(Translation Lookaside Buffer)를 모두 초기화해야 했음.
  → 불필요한 TLB 플러시를 최소화하여 문맥 전환 속도 향상
• Zero-Copy 최적화
  네트워크 패킷 전송 및 파일 I/O 시 CPU가 데이터를 중복 복사하지 않도록 개선.
  → I/O 작업 중 불필요한 Context Switching 발생 빈도 감소

리눅스 5.x – 커널 스레드 전환 최적화

• 커널 스레드와 유저 스레드 간 전환 속도 개선
  커널 모드에서 실행되는 작업이 많을 경우 스레드 간 전환 속도를 최적화하여 지연 시간 감소.
  → 멀티태스킹 환경에서 Context Switching 오버헤드 감소

리눅스 6.x – Futex2 & MGLRU 도입

• Futex2 시스템 콜 도입
  기존 Futex(Fast Userspace Mutex)보다 더 효율적인 동기화 메커니즘을 제공하여, 멀티스레드 환경에서 문맥 전환 비용 감소.
• MGLRU(Multi-Gen LRU) 적용
  기존 LRU(Least Recently Used) 방식보다 더 효율적으로 메모리 캐시를 관리하여 TLB 캐시 미스 감소.
  → context switching 시 메모리 접근 속도 향상 및 캐시 활용률 증가