PCB & Context Switching

📖프로세스

📖PCB (Process Control Block)

PCB는 운영체제가 프로세스를 제어하기 위해 정보를 저장해둔 곳으로, 프로세스의 상태 정보를 저장하는 자료구조

• 운영체제는 빠르게 PCB에 접근하기 위해 프로세스 테이블을 사용하여 각 프로세스의 PCB를 관리
• 프로세스가 생성되면 Process Metadata를 PCB에 저장 (1 Process : 1 PCB)

📎Process Metadata

PCB가 가지고 있는 프로세스에 관한 정보

• 프로세스 번호(PID) : 모든 프로세스에는 프로세스 식별자를 저장하는 프로세스 ID 또는 PID라는 고유한 ID가 할당됨
• 프로세스 현재 상태 : 프로세스의 각 상태 (생성(New), 준비(Ready), 실행(Running), 대기(Waiting), 종료(Terminated))를 저장
• 포인터 : 프로세스의 현재 위치를 저장하는 포인터 정보
• 프로그램 카운터(PC) : 프로세스를 위해 실행될 다음 명령어의 주소를 포함하는 카운터 값을 저장함
• 레지스터 정보 : 누산기, 베이스, 레지스터 및 범용 레지스터를 포함하는 CPU 레지스터에 있는 정보. 스택 포인터(SP) 또한 레지스터 중 하나이며, 시스템 스택 포인터의 Top 주소를 저장
• 메모리 관리 정보 : 운영체제에서 사용하는 메모리 관리 시스템에 대한 정보가 포함됨. 페이지 테이블, 세그먼트 테이블 등이 포함될 수 있음
• 입,출력 상태 정보 : 입출력장치, 개방된 파일 목록

📎PCB에 Process Metadata가 저장되는 과정

1. 프로그램 실행
2. 프로세스 생성
3. 프로세스 주소 공간에 Stack, Data, Code 생성
4. 이 프로세스의 메타 데이터들을 PCB에 저장

📎PCB가 관리되는 방식

Linked List 방식으로 관리

• PCB List Head에 PCB가 생성될 때마다 붙음
• 주소값으로 연결이 이루어져있는 Linked list이기 때문에 삽입, 삭제가 용이
• 프로세스가 종료되면 PCB도 제거됨

📎PCB가 필요한 이유

CPU에서 프로세스의 상태에 따라 교체 작업이 이루어질 때, 다시 수행할 Block 상태의 프로세스의 상태값을 PCB에 저장하기 위함

📖Context Switching

현재 진행하고 있는 프로세스의 상태를 PCB에 저장하고, 새로 들어오는 프로세스의 PCB 정보를 바탕으로 레지스터에 값을 적재하는 과정 (프로세스 교체 과정) 즉, 수행 중인 프로세스를 변경할 때, CPU의 레지스터 정보가 변경되는 것

• Context Switching은 프로세스가 Ready → Running, Running → Ready, Running → Block 처럼 상태 변경 시에 발생

📎Context Switching이 발생하는 경우

1. 인터럽트(Interrupt)

2. 시스템 콜(System Call)

📎Context Switching이 필요한 이유

CPU가 동시에 수행하는 것처럼 보이게 하기 위함 (실제로 CPU는 한 번에 하나의 프로세스만 수행 가능)

📎Context Switching 과정

1. Process P0이 실행되는 도중, 어떠한 이유로 인터럽트나 시스템 콜이 발생
2. P0이 유저 모드에서 커널 모드로 전환되고 P0은 Ready로 상태 변경
3. P0의 프로세스 상태 정보를 PCB에 저장
4. P1의 PCB 정보를 통해 CPU 레지스터 정보를 씀

• Program Counter : 어느 명령어를 실행할지에 대한 정보
• Stack Pointer : 프로세스의 스택 영역 마지막 주소에 대한 정보

5. P1 프로세스를 커널 모드에서 유저 모드로 전환해 실행

Context Switching을 할 때, 오버헤드가 발생할텐데 Context Switching을 하는 이유?

프로세스 수행 중 입출력 이벤트가 발생했을 때 CPU를 사용하지 않게 되는데 이 CPU가 낭비되는 시간 동안 차라리 overhead가 발생하더라도 Context Switching을 통해 다른 프로세스를 실행시키는 게 전체적으로 봤을 때 더 효율적이기 때문에 overhead를 감수하고 Context Switching을 함

🔖Context Switching 오버헤드 Context Switching에 걸린 시간과 메모리