[OS]인터럽트&Context Switching

Interrupt

CPU 가 프로그램 실행 중, 예외상황 처리를 위해 프로세스를 잠시 중단하는 것

CPU는, 한번에 하나의 프로세스를 처리하기 때문에, 이를 핸들링하기 위해 필요

CPU가 다른 장치와 통신하기 위해 필요.

• [내부] SW 인터럽트
  • overflow / underflow / 0 division
• [외부] HW인터럽트
  • 전원 이상 / IO관련 / 기계이상 ...

Interrupt 동작방식

: Interrupt 이벤트마다 각 ‘실행코드’ 를 가리키는 주소를

IDT(Interrupt Descriptor Table) 에 기록.

(컴퓨터 부팅 시, OS가 기록)

• 0~31: 예외상황 인터럽트 (내부/ 소프트웨어 인터럽트)
• 32~47: 하드웨어 인터럽트 (주변 장치의 종류 및 개수에 따라 변경 가능)
• 128: 시스템 콜

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Context Swithing

CPU 에서 , 프로세스를 번갈아 처리하는 작업.

여러개의 프로세스가 실행되고 있을 때 기존에 실행되는 프로세스를 중단하고 다른 프로세스를 실행 하는 것.

1. 동작중인 프로세스를 중지하며, 해당 프로세스의 상태(context)보관
2. 대기중인 다음 프로세스로 동작 교체
3. 이전의 프로세스 상태 (context) 복구

발생하는 경우

• 멀티태스킹
• 인터럽트 핸들링
• 사용자 모드 & 커널 모드 간 전환

PCB

:Process Context Block

프로세스 상태값을 저장하는 별도의 메모리 공간.

Context Switching은 PCB에 상태값을 저장하고, 다시 찾아 복구하는 방식으로 진행됨

PCB

• Process ID (PID)
• register 값 (PC, SP 등)
• process state (프로세스 상태)
  • ex) running, block ...
• Meomory limits (메모리 사이즈)

 

 

 

 

 

 

Context Switching 발생 시 cost

cost 큰편

• cache 초기화
• Memory Mapping 초기화
• kernel은 항상 실행됨

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Process & Thread

process

실행된 프로그램

운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위

메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스

• 프로세스는 각각, 독립된 메모리 영역 Code / Data / Stack / Heap 구조 를 할당받는다.
• 각 프로세스는 별도의 주소공간에서 실행됨. (다른 프로세스의 변수or 자료구조에 접근 불가)
• 프로세스 당 최소 1개의 thread를 갖고있음

thread

프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위

• 스레드는, stack 만 따로 할당 받고, Code / Data / Heap 영역은 공유함
• 같은 프로세스 내의 스레드들은 주소공간, 자원을 공유함

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멀티 Process

ex) 웹 서버

• 장점
  • process 하나의 문제가 다른 process에 영향을 끼치지 않음
• 단점
  • 공유하는 자원 x → Context Switching 시, cache 메모리 초기화
  • 많은 오버헤드 발생
  • process간 통신 부담 ↑

멀티 Thread

ex) 웹 서버

• 장점
  • 자원을 할당하는 시스템 콜 ↓ → 시스템 자원 소모 ↓
  • 공유하는 메모리 범위 큼 → thread간 통신 부담 ↓
  • context switching 빠름
• 단점
  • 자원 공유로 인한 동기화 문제
  • thread 하나의 문제 → thread 전체의 문제
  • 단일 프로세스 시스템의 경우 장점이 줄어듦

 

Process vs Threadthread

• context switching 비용 : process > thread
• thread는 stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유
• 즉, 발생시 stack 영역만 변경

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💡 CPU는 한번에 한가지 일을 처리할 수 있다.

💡 Interrupt 는, CPU가 실행중인 프로세스를 [중단] 하기 위해 필요

💡 Context Switching 은, interrupt시, Context(진행중이던 작업정보)를 다시 불러와 [멀티태스킹] 하기 위해 필요

💡 Multi Threading 은, context switching 시 overhead를 최소화 하기 위해 필요 ***