[100일의 IT 초보 탈출] #41 Context Switching _ 컴퓨터는 어떻게 여러 작업을 동시에 할까?

@Prof.SSong·2025. 5. 24. 20:24

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오늘은 무엇을 배우게 될까요?

여러분이 컴퓨터로 유튜브를 보면서 웹 브라우저에서 검색도 하고, 워드 문서도 작성할 수 있는 이유는 컴퓨터가 여러 작업을 빠르게 번갈아가며 처리하고 있기 때문이에요.

그런데 정말로 동시에 작업하는 걸까요?

아니면 “하나씩 빠르게 바꾸며 실행하는 걸 우리가 동시에처럼 느끼는 걸까요?”

오늘은 이 질문에 대한 해답인 문맥 교환(Context Switching)의 개념을 알아보고,

CPU가 여러 작업을 효율적으로 처리하는 비밀을 함께 파헤쳐봅시다!

문맥(Context)이란 무엇일까?

문맥(Context)은 프로세스나 스레드가 실행 중인 상태에 대한 모든 정보입니다.

즉, 그 프로세스가 뭘 하고 있었는지 기억하는 정보들이에요.

문맥의 구성 요소

CPU 레지스터 정보 (예: 계산 도중의 숫자들)
프로그램 카운터 (어디까지 실행했는지 위치)
스택 포인터, 메모리 상태, 입출력 상태 등

Context Switching(문맥 교환)이란?

문맥 교환은 CPU가 실행하던 작업을 멈추고, 다른 작업으로 전환하는 과정을 말합니다.

이때 이전 작업의 상태(문맥)를 저장하고, 다음 작업의 상태를 불러옵니다.

왜 필요할까?

컴퓨터는 동시에 여러 작업을 처리하는 것처럼 보이지만, 실제로는
한 순간에 하나의 프로세스/스레드만 실행 가능 (특히 단일 CPU일 경우)
따라서 운영체제가 일정 시간마다 작업을 바꿔주며 공평하게 실행합니다

Context Switching의 순서

현재 실행 중인 프로세스의 상태(문맥)를 PCB(Process Control Block)에 저장
새로운 프로세스의 문맥을 PCB에서 불러옴
CPU가 그 상태부터 이어서 실행

언제 문맥 교환이 일어날까?

멀티태스킹 중: 여러 프로그램이 동시에 실행될 때
우선순위 변경: 더 급한 작업이 있을 경우
입출력 대기: 하나의 작업이 키보드 입력을 기다릴 때 등
타이머 인터럽트: 일정 시간마다 강제로 작업 전환

문맥 교환의 핵심: PCB(Process Control Block)

PCB는 각 프로세스의 정보를 담고 있는 자료 구조입니다.

PCB에 저장되는 정보 예시

프로세스 ID
실행 상태 (준비, 대기, 실행 중 등)
레지스터 값
프로그램 카운터
스케줄링 정보

운영체제는 문맥 교환 시 이 PCB를 참고하여 이전 상태로 돌아갈 수 있게 만듭니다.

문맥 교환의 장점과 단점

항목장점단점

장점	여러 작업을 공평하게 실행 → 멀티태스킹 가능	사용자는 동시에 실행되는 듯한 효과를 얻음
단점	문맥 저장/복구 시간이 필요 → 오버헤드 발생	캐시 초기화로 성능 손실 가능

실생활 비유로 이해해보자

선생님이 수업시간에 여러 학생의 발표를 번갈아 듣는 상황→ 돌아와서도 처음부터가 아니라 “이어서” 발표 가능 → 한 학생의 발표 중간에 잠깐 멈추고, 다른 학생 발표 듣기

즉, CPU는 여러 프로세스가 진행 중인 위치를 기억해두었다가, 돌아올 때 이어하기 기능을 써서 진행합니다.

문맥 교환이 많은 프로그램은 어떤 특징이 있을까?

실시간성이 떨어질 수 있음 (예: 게임, 영상 처리 앱에서 끊김 발생 가능)
멀티스레드 기반 프로그램은 문맥 교환이 잦기 때문에 효율적 구현이 중요
고성능이 필요한 시스템에서는 문맥 교환 최소화 전략이 필요

문맥 교환을 최적화하는 기술들

스레드 대신 코루틴(Coroutine): 문맥 교환 비용 없이 실행 흐름 전환 가능
스레드 풀(Thread Pool): 매번 새 스레드를 만들지 않고 미리 만들어둠
RTOS(실시간 운영체제): 문맥 교환 시간을 예측 가능한 수준으로 유지

한 줄 요약

👉 Context Switching은 컴퓨터가 여러 작업을 빠르게 전환하며 처리할 수 있게 해주는 핵심 기술입니다.

프로세스 상태를 저장하고 이어서 실행하는 능력이죠.