🌀 컨텍스트 스위칭 완전 정복 - 프로세스와 스레드가 교체될 때 벌어지는 일들

✅ 컨텍스트 스위칭이란?

컨텍스트 스위칭(Context Switching)이란 CPU가 현재 실행 중인 작업을 멈추고,
다른 작업으로 전환하기 위해 상태 정보를 저장하고 복구하는 과정입니다.

💡 왜 컨텍스트 스위칭이 필요할까?

운영체제는 여러 작업(프로세스/스레드)을 마치 동시에 처리하는 것처럼 보여야 합니다.
하지만 CPU는 한 번에 하나의 작업만 실행할 수 있죠. 그래서 이렇게 처리합니다:

📌 일정 시간만큼 한 작업을 실행하고 → 다음 작업으로 교체
(= 컨텍스트 스위칭)

📦 컨텍스트란?

“컨텍스트(Context)”는 현재 실행 중인 작업의 상태 정보입니다.

💾 포함되는 정보

• CPU 레지스터 값 (프로그램 카운터, 스택 포인터 등)
• 메모리 정보 (프로세스의 주소 공간, 가상 주소 상태 등)
• 커널 내부 상태 (우선순위, 권한 등)

🔁 컨텍스트 스위칭이 발생하는 시점

🧠 누가 이걸 처리할까?

컨텍스트 스위칭은 운영체제의 커널(Kernel) 이 수행합니다.
커널이 다음 작업을 스케줄링하고, 필요한 상태 저장/복구를 모두 처리합니다.

🔍 프로세스 vs 스레드 컨텍스트 스위칭

🎯 왜 스레드 전환이 더 빠를까?

스레드는 같은 프로세스 안에서 실행되므로
공통 메모리 영역을 공유합니다.
따라서, 주소 공간 초기화가 필요 없습니다.

🛠 프로세스 전환 시 추가로 벌어지는 일들

프로세스 전환은 단순히 CPU 상태만 바꾸는 게 아닙니다:

1. 현재 프로세스의 레지스터, 상태 저장
2. 다음 프로세스의 상태 불러오기
3. MMU 설정 변경 → 메모리 주소 체계 바꿈
4. TLB 초기화 → 주소 매핑 캐시 제거

🔐 MMU, TLB가 뭐야?

📦 MMU (Memory Management Unit)

물리 메모리와 가상 주소를 연결하는 하드웨어 장치

• 프로세스마다 고유한 가상 주소 공간을 가짐
• MMU는 이 가상 주소를 물리 주소로 매핑해줌

⚡ TLB (Translation Lookaside Buffer)

MMU가 자주 사용하는 주소 매핑을 저장하는 캐시

• 속도를 높이기 위해 주소 변환 정보를 미리 저장
• 하지만 프로세스를 바꾸면? → 캐시도 무효화 필요!

🧪 예시로 쉽게 이해해 보기

🎮 게임(프로세스 A) → 📨 이메일 앱(프로세스 B)

• MMU는 게임의 주소 체계를 참조 중
• 이메일 앱으로 바꾸면 MMU 설정 변경
• 이전 게임의 주소 맵이 남아 있으면 위험 → TLB 초기화

🧵 스레드 간 전환은?

같은 프로세스 A 내에서

• 네트워크 스레드 → 렌더링 스레드 전환 시
• MMU/TLB 그대로! 단지 레지스터 정보만 바꾸면 됨

📌 한눈에 정리

🚀 결론

• 컨텍스트 스위칭은 OS가 멀티태스킹을 지원하는 핵심 메커니즘
• 스레드 간 전환은 빠르지만, 프로세스 간 전환은 상대적으로 무거움
• 고성능 시스템에서는 스레드 기반 비동기 처리가 더 유리할 수 있음