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PCB & IPC & Context Switching

Context Switching 역할에 질문 던지기

컴퓨터에서 하나의 Task만 처리할 수 있다면?

• 해당 Task가 끝날때까지 다음 Task는 기다릴 수 밖에 없다. (Blocking)
• 또한 반응속도가 매우 느리고 사용하기 불편하다.

그렇다면 사람들이 동시에 사용하는 것처럼 하기 위해서는?

• Computer multitasking을 통해 빠른 속도로 응답할 수 있다.
• 빠른 속도로 Task를 바꿔가며 실행하기 때문에 실시간 처럼 보이게 되는 장점이 있다.
• CPU가 task 를 바꿔가며 실행하기 위해 Context Switching이 필요하게 되었다.

Context Switching

현재 진행하고 있는 Task의 상태를 저장하고 다음 진행할 Task의 상태값을 읽어 적용하는 과정을 말한다.

Context Switching은 어떻게 진행될까?

• Task의 대부분 정보는 Register에 저장되고 PCB로 관리되고 있다.
• 현재 실행하고 있는 Task의 PCB 정보를 저장하게 된다. (Process Stack, Ready Queue)
• 다음 실행할 Task의 PCB 정보를 읽어 Register에 적재하고 CPU가 이전에 진행했던 과정을 연속적으로 수행을 할 수 있다.

Context Switching Cost

• Context Switching이 발생하면 많은 Cost가 소요됩니다.
  • cache 초기화
  • memory mapping 초기화
  • kernel은 항상 실행

Process vs Thread

• Context Switching의 비용은 Process(PCB) > Thread(TCB)
  • Thread는 Stack영역을 제외한 모든 메모리를 공유한다.
  • Context Switching 발생시 Stack 영역만 변경하면 된다.
    • 장애 발생시 프로세스 하위의 쓰레드를 모두 종료해야 하는 단점을 보인다. (InternetExplorer)

PCB, TCB

• PCB
  • 프로세스 상태와 정보를 저장하는 Block
• TCB
  • 쓰레드별로 존재하는 자료구조. Program Counter, Register Set, PCB를 가르키는 포인터를 갖는다.
• 데이터의 양: PCB > TCB
  • 

IPC

Process는 완전히 독립된 실행객체이기 때문에 별도 설비 없이는 프로세스간 통신이 어렵다는 문제가 있게 됩니다.
이를 위해서 커널 영역에서 IPC(Inter Process Communication)을 제공하게 되고 프로세스는 커널이 제공하는 IPC 설비를 사용해서 프로세스간 통신을 할 수 있게 됩니다.

• PIPE (익명 PIPE)
  • 두 개의 프로세스를 연결하게 되고 하나의 프로세스는 데이터를 쓰기만, 다른 하나는 읽기만 할 수 있어요. (반이중) 통신
  • 하나의 프로세스가 단지 읽기만 하고 하나의 프로세스가 단지 쓰기만 하는 단순한 데이터 흐름이라면 PIPE 사용을 권장
• Named PIPE (FIFO)
  • 부모 프로세스와 무관하게 전혀 다른 프로세스 사이에서 통신이 가능
  • read-only, write-only만 가능하다.
• Message Queue
  • 메모리 공간, 파이프가 아닌 어디에서나 물건을 꺼낼 수 있는 컨테이너 벨트 형식
• Shared Memory
  • 데이터를 아예 공유하는 방법이다, 공유메모리가 데이터 자체를 공유하도록 지원하는 설비이다.
  • 중개자가 없어 IPC들 중에서 가장 빠르게 작동할 수 있다.
• Memory Map
  • 열린파일을 메모리에 맵핑시켜서 공유한다.
• Socket
  • 프로세스와 시스템의 기본적인 부분이며 프로세스들 사이에서 통신을 가능하게 한다
• Semaphore
  • 공유된 자원에 여러개의 프로세스가 동시에 접근하면 안되어서 하나의 프로세스만 접근 가능하도록 만들어준다.