PCB와 Context Switching

PCB와 Context Switching

Prerequisites

• multi-tasking의 등장
  • multi-programming에서 이전 작업의 처리 시간이 길어질 경우, 전체 처리 시간이 길어지는 문제점을 보완
    • 이전 작업이 완료되기 전까지는, 현재 작업을 진행하지 않기 때문
  • time-slicing 방식을 채택하여, 일정 주기(=time quantum, time slice)마다 다른 프로세스에게 processor의 점유권을 전달하는 방식 \(\rightarrow\) multi-tasking
    • 라운드 로빈 프로세스 스케쥴링 방식 등장
    • 동시성 (concurrency) 증가 효과 기대
  • 

• 현대의 OS는 최소 실행 흐름인 Thread 가 등장하면서, Thread 별로 스케쥴링 정책을 실시

  • 이 경우 Thread의 state를 표현하는 TCB(Task Control Block) 단위를 사용
  • Process에 Thread가 속해있는 형식이므로, TCB또한 내부적으로 PCB를 참조하고 있음
  • 같은 Process 내부에 존재하는 Thread는 Process의 address space를 공유하므로, TCB에는 상태 저장을 위한 최소한의 레지스터 셋만 표현되어있음
    • 

Challenges

• 처리되지 못한 프로세스에 대해서, 프로세서가 처리한 부분부터 다음에 처리할 수 있게끔 어떻게 구현할 수 있을까?
  • 프로세스의 state를 표현하는 정보들이 필요하다.
  • 이를 PCB(Process Control Block) 이라고 한다.
  • 
• time slice를 무조건 짧게 둘수록, 반응성은 증가하지만 작업 전체의 수행 시간은 늘어난다.
  • process context switching에 드는 오버헤드가 有
  • 적절한 time slice를 어떻게 두는 것이 좋을까?
    • 리눅스에서는 CFS 스케쥴러에서 time slice를 유동적으로 결정

Context Switching 이란?

• 현재 프로세스의 실행 상태를 PCB에 저장하고 wait queue에 넣고, 스케쥴링되어 pop된 프로세스의 PCB를 참조하여 프로세서가 실행할 수 있는 환경으로 만드는 일련의 과정

  

  • 주로, address space 전환에 많은 오버헤드가 든다.
    • TLB 와 cache를 flush 해주어야함
    • 참고
  • 같은 process내의 thread간의 switching은 아주 빠르게 이루어진다.
    • CPU내의 레지스터만 변경, address space 전환 X

• 참고

  • TLB(Translation Lookaside Buffer)
    • n-level 페이지테이블에서 물리 메모리 접근을 위해서 \(n\)번의 메모리 참조가 필요 (페이지 테이블 참조 횟수)
    • 일종의 캐시 역할을 하여, page table 참조 시에 \(n\)번의 접근 메모리 대신, (가상 주소 \(\rightarrow\) 물리 주소) 정보에 대한 값을 TLB에서 참조할 수 있게끔 함
    • 

Context Switching의 고질적인 문제점

1. Process 간 전환시의 Address Space 정보를 바꾸기 위한 오버헤드
   • TLB 캐시를 모두 flush 해야 함
     • 현대에는 ASID(Address Space Identifier)를 TLB에 추가적으로 둬서 TLB Flush를 최소화
   • MMU가 주소를 변환하기 위해서 물리 주소의 base register 값도 변환해주어야함

2. 캐시 오염

   

   • 이전의 프로세스에서 캐싱해두었던 값들은 더 이상 의미가 없음

   • context switching 이후에 cache miss가 빈번하게 발생하는 현상을 의미함