PCB & Context Switching (프로세스 제어 블록과 문맥 교환)

📝 PCB (Process Control Block)

프로세스에 대한 정보를 저장한 자료구조

특징:

프로세스 테이블에 저장
주기억장치에 저장
Context Switching에 필요

🔄 프로세스 상태

5가지 상태

New → Ready → Running → Terminated
           ↕      ↓
         Waiting ←

New & Terminated

임시적 상태

New: 프로세스 생성
Terminated: 프로세스 종료

Ready

실행 준비 완료 상태

동작:

Scheduler: 프로세스 선택
Dispatch: CPU에 할당

Running

프로세스 실행 중

Waiting

사용자 입력 대기

예시:

프로그램 다운로드 중 (Running)
  ↓
사용자 허용 필요 (Waiting)
  ↓
다운로드 재개 (Running)

🗂️ PCB 구조

1. 프로세스 식별자 (PID)

프로세스 식별 용도

2. 프로세스 상태

Ready, Running, Waiting 등

3. 프로그램 카운터 (PC)

다음 실행할 명령어 주소

4. CPU 레지스터

레지스터 상태 저장

5. CPU 스케줄링 정보

우선순위
최종 실행 시각
CPU 점유 시간

6. 메모리 관리 정보

페이지 테이블
스케줄링 큐 포인터

7. I/O 상태 정보

할당된 입출력 장치 목록
열린 파일 목록

🔀 Context Switching (문맥 교환)

CPU가 이전 프로세스 상태를 PCB에 보관하고, 다른 프로세스 정보를 PCB에서 읽어 레지스터에 적재하는 과정

🔄 Context Switching 과정

Process P1 (Executing)
  ↓ Interrupt/System Call
PCB1에 P1 정보 저장
  ↓
PCB2에서 P2 정보 로드
  ↓
Process P2 (Executing)
  ↓ Interrupt/System Call
PCB2에 P2 정보 저장
  ↓
PCB1에서 P1 정보 로드
  ↓
Process P1 (Executing)

단계별 설명

1. P1 실행 중

Interrupt 또는 System Call 발생

2. P1 상태 저장

PCB1에 프로세스 정보 저장

3. P2 정보 로드

PCB2에서 P2 정보 가져옴

4. P2 실행

CPU에 P2 할당

5. P2 상태 저장

Interrupt 또는 System Call 발생 → PCB2에 저장

6. P1 정보 로드

PCB1에서 P1 정보 가져옴

🎯 Context Switching 발생 원인

선점형 스케줄링 (Preemptive Scheduling)

우선순위 높은 프로세스가 CPU 선점

동작:

우선순위 높은 프로세스 도착
현재 프로세스 중지 → PCB에 저장
우선순위 높은 프로세스 실행

⚠️ Context Switching 문제점

오버헤드 (Overhead) 발생

잦은 Context Switching → 성능 저하

원인:

PCB에서 정보 가져오는 동안 CPU 유휴 상태
아무 일도 하지 못함

💰 Context Switching Cost

1. Cache 초기화

캐시 메모리 초기화 필요

2. Memory Mapping 초기화

메모리 매핑 재설정

3. Kernel 실행 유지

커널 모드 전환 비용

💡 해결 방안

Thread 사용

프로세스 대신 Thread로 Context Switching

장점: ✅ 메모리 공간 공유 ✅ 스택만 정리하면 됨 ✅ 프로세스보다 비용 적음

비교:

프로세스 Context Switching:
- Code, Data, Stack, Heap 모두 교체
- 비용 높음

Thread Context Switching:
- Stack만 교체
- Code, Data, Heap 공유
- 비용 낮음

❓ 면접 질문 예시

Q1. Context Switching은 무엇인가요?

답변: Context Switching은 CPU가 이전 프로세스의 상태를 PCB에 보관하고, 다른 프로세스의 정보를 PCB에서 읽어 레지스터에 적재하는 과정입니다. 선점형 스케줄링 방식에서 우선순위가 높은 프로세스가 CPU를 선점할 때 발생합니다.

Q2. PCB란 무엇인가요?

답변: PCB(Process Control Block)는 프로세스에 대한 정보를 저장한 자료구조입니다. 프로세스 식별자, 프로세스 상태, 프로그램 카운터, CPU 레지스터, CPU 스케줄링 정보, 메모리 관리 정보, I/O 상태 정보 등을 포함하며 주기억장치에 저장됩니다.

Q3. 프로세스의 Context Switching Cost 해결 방안은?

답변: 여러 프로세스에 Context Switching을 하지 말고, 단일 프로세스에 여러 Thread를 생성하여 Thread에서 Context Switching을 하면 됩니다. Thread는 메모리 공간을 공유하고 있어 스택만 정리하면 되기 때문에 프로세스보다 비용이 적게 듭니다.

Q4. Context Switching이 발생하는 원인은?

답변: 선점형 스케줄링 방식으로 진행되기 때문입니다. CPU에 우선순위가 높은 프로세스가 할당되면 기존에 실행되고 있는 프로세스를 중지하고 우선순위가 높은 프로세스가 진행됩니다. 중지되는 프로세스의 정보를 저장하고 우선순위가 높은 프로세스를 실행하는 방식이 Context Switching입니다.

Q5. 프로세스의 5가지 상태는?

답변:

New: 프로세스 생성
Ready: 실행 준비 완료
Running: 프로세스 실행 중
Waiting: 사용자 입력 대기
Terminated: 프로세스 종료 주로 Ready, Running, Waiting 세 가지 상태가 돌아가면서 프로세스를 동작시킵니다.

📚 원본 참고 자료

출처: 2023-CS-Study

파일: os_pcb_and_context_switching.md
내용: PCB, Context Switching, 프로세스 상태

PCB & Context Switching