11 멀티태스킹과 인터럽트 — 번갈아 도는 기계

11.1 한 코어로 여럿을 — 번갈아 하기라는 발상#

계산하는 곳이 하나뿐인 기계에서 프로그램 둘을 「동시에」 돌리는 방법은 하나뿐이다. 아주 잘게 번갈아 하는 것이다. 눈에 안 보일 만큼 빠르게 오가면 사람에게는 둘이 함께 도는 것처럼 보인다.

이것을 멀티태스킹(multitasking)이라 한다. 그런데 「번갈아 한다」는 말에는 정해야 할 것이 셋 숨어 있다.

정해야 할 것은 셋이다. 누가 정하는가 — 다음에 어느 일을 돌릴지 고르는 주체이고, 답은 운영체제 안의 스케줄러다. 언제 끊는가 — 지금 도는 일을 멈추는 계기이고, 답은 「스스로 멈출 때」와 「시간이 다 됐을 때」 둘이다. 그리고 어떻게 알리는가 — 그 계기를 코어에게 전하는 방법이고, 답은 시계 장치의 인터럽트다.

세 번째 줄이 이 장에서 멀티태스킹과 인터럽트가 만나는 자리다. 앞의 둘은 정책이고, 마지막 하나는 장치다.

11.2 언제 끊을 것인가 — 세 가지 후보#

「언제 끊는가」에 대한 답은 여러 가지가 있을 수 있다. 후보를 늘어놓고 하나씩 지워 보면 오늘의 방식이 왜 이런지 보인다.

★ 첫 줄을 지우는 까닭이 중요하다. 흔히 「하드웨어가 명령을 세어 주지 않아서」라고들 하지만 그렇지 않다. 요즘 코어에는 「성능 감시 장치(performance monitoring unit)」가 있어 실제로 물러난 명령을 세고, 세다가 넘치면 인터럽트까지 일으킬 수 있다.

그런데도 쓰지 않는 까닭은 따로 있다. 첫째, 명령 수와 흐른 시간이 비례하지 않는다 (기억을 기다리는 명령은 수십 배 느리다 — 12장). 그래서 「명령 천 개」가 사람에게 뜻하는 시간이 그때그때 다르다. 둘째, 그 계수기는 수가 정해진 귀한 자원이라 아무 때나 꺼내 쓰는 일반 시계가 아니다. 셋째, 운영체제가 지키려는 것은 공평함과 응답인데 그 눈금은 명령이 아니라 시간이다. 그래서 시간으로 끊는다.

11.2.1 스스로 내놓는 것만으로는 왜 부족한가#

둘째 줄만 쓰는 방식도 실제로 있었다. 프로그램이 「나는 여기서 잠깐 물러난다」고 말할 때만 전환하는 것이다. 이것을 협력형(cooperative) 또는 비선점형이라 한다.

문제는 「협력」이라는 말에 그대로 들어 있다. 한 프로그램이 협력하지 않으면 아무도 못 돈다. 계산이 길어지거나, 무한 고리에 빠지거나, 그냥 양보를 잊으면 — 기계 전체가 멈춘다. 마우스도 안 움직인다.

그래서 셋째 줄이 필요하다. 프로그램의 선의와 무관하게 바깥에서 되찾아 오는 장치. 그 방식을 선점형(preemptive)이라 한다.

11.3 멀티태스킹의 갈래#

이제 갈래를 정리할 수 있다. 역사가 대체로 이 순서로 흘렀다.

★ 첫 줄의 태스크 스위처(task switcher)는 멀티태스킹이 아니다. 여러 프로그램을 띄워 둘 수는 있지만 도는 것은 언제나 하나다. 전환할 때 뒤로 가는 프로그램은 통째로 재워지고 (때로는 디스크에 내려놓고), 앞으로 오는 것이 깨어난다. 기억이 귀하던 시절의 타협이다. 지금도 「전환은 되는데 뒤에서는 아무 일도 진행되지 않는」 물건을 만나면 그것이 이 방식이다.

11.4 전환할 때 무엇을 옮기는가 — 문맥#

일을 바꾼다는 것은 코어의 지금 상태를 통째로 갈아 끼우는 일이다. 그 상태를 문맥(context)이라 하고, 갈아 끼우는 일을 문맥 전환이라 한다.

여기에 표에 안 적히는 값이 하나 더 붙는다. 전환한 뒤에는 캐시와 번역표에 앞사람이 쓰던 것이 들어 있어서, 새로 온 일은 한동안 느리게 시작한다. 저장하고 복원하는 일 자체보다 이 「식은 캐시」가 더 비쌀 때도 많다(12장).

★ 그래서 전환 간격에는 맞바꿈이 있다. 짧게 끊으면 반응이 빨라지지만 전환에 쓰는 몫이 커지고, 길게 끊으면 그 반대다. 운영체제마다 이 값을 다르게 잡고, 같은 운영체제도 일의 성격에 따라 다르게 준다.

11.5 그 시점을 누가 알리는가 — 시계 인터럽트#

이제 마지막 물음이다. 「시간이 다 됐다」를 코어에게 누가 알리는가?

코어는 스스로 시계를 보지 않는다. 대신 시계 장치가 정해진 간격마다 코어를 불러 세운다. 그 부름이 이 장의 나머지 절반, 곧 인터럽트다.

★ 표의 3~5 줄이 정책이고 1~2 줄이 장치다. 같은 시계 인터럽트 위에 어떤 정책을 얹느냐에 따라 협력형도 선점형도 될 수 있다 — 실제로 도스 시절에는 응용 프로그램이 이 인터럽트를 가로채 제 나름의 정책을 얹기도 했다(이 장의 뒷부분에서 본다).

지금까지가 「번갈아 하기」의 이야기다. 여기서부터는 그 마지막 고리인 인터럽트 자체를 본다 — 시계만이 아니라 키보드도, 디스크도, 통신선도 같은 방식으로 말을 걸어온다.

11.6 장치와 잇는 선 — 줄지어 보내기와 한꺼번에 보내기#

9장에서 본 카드 판독기도, 라인프린터도, 텔레타이프도 결국 선으로 컴퓨터에 붙어 있었다. 그 선을 어떻게 놓느냐에 따라 장치의 성격이 갈린다.

텔레타이프는 앞쪽이었다. 선 한 가닥에 비트를 줄지어 흘려보내고, 받는 쪽은 「시작」 표시를 보고 시계를 맞춘 뒤 정해진 간격으로 값을 집어 간다. 프린터를 잇던 굵은 케이블은 뒤쪽이었다 — 여덟 가닥에 한 바이트를 한꺼번에 싣고, 「지금 유효하다」는 신호를 따로 보냈다.

직관과 달리, 빨라질수록 이기는 쪽은 직렬이다. 줄이 여덟이면 줄마다 도착 시각이 조금씩 어긋나는데, 속도를 올릴수록 그 어긋남이 한 비트의 시간보다 커져 버린다. 그래서 오늘날 빠른 연결은 대개 직렬 한 가닥을 아주 빠르게 만들고 그것을 여러 벌 묶는 쪽으로 갔다.

한 가지만 더 짚어 둔다. 작은 기계에서는 바깥으로 난 선 하나가 입력이 될 수도 있고 출력이 될 수도 있다. 어느 쪽으로 쓸지는 프로그램이 정해진 자리에 값을 써서 알려 준다. 이 「정해진 자리에 값을 써서 장치를 부린다」가 바깥을 다루는 기본 방식이고, 그 자리는 주소로 가리키지만 기억이 아니다 — 읽으면 지금 상태가 나오고, 쓰면 무슨 일이 벌어진다. 이 구분이 나중에 volatile이라는 낱말을 낳는다 (14장).

그런데 선을 어떻게 놓든 남는 문제가 둘 있다. 하나는 양쪽의 속도가 다르다는 것이고 (그래서 9장에서 본 통을 사이에 둔다), 다른 하나가 이 장의 주제다 — 바깥이 말을 걸어오는 시점을 누가 정하는가.

11.7 바깥이 말을 걸어오는 시점#

9장에서 들어오는 쪽에 통이 있다고 했다. 그러면 그 통에 글자를 담는 것은 누구인가? 키가 눌린 것을 프로그램은 어떻게 알아채는가?

방법이 둘이다.

폴링(polling)은 프로그램이 「왔니? 왔니?」 하고 되풀이해 묻는 방식이다. 단순하지만, 묻는 사이에 일이 생기면 다음 물음까지 기다려야 하고, 아무 일이 없어도 계속 물어야 한다.

인터럽트(interrupt)는 반대다. 장치가 「일이 생겼다」고 CPU 를 불러 세운다. 그러면 CPU 는 하던 일을 그 자리에서 멈추고, 미리 등록해 둔 처리 코드로 뛰어가 그 일을 처리한 뒤, 멈췄던 자리로 돌아온다.

곧 입력 버퍼에 글자가 쌓이는 일은 대개 이렇게 일어난다. 내 프로그램이 다른 일을 하고 있는 동안, 키보드가 끼어들어 통에 한 글자를 넣고 물러난다. 그래서 나중에 읽으러 갔을 때 이미 거기 있는 것이다.

여기서 한 가지가 분명해진다. 인터럽트는 내 코드의 어느 줄 사이에서든 일어날 수 있고, 내 코드는 그것을 알아채지 못한다.

11.7.1 인터럽트가 여럿이면#

바깥 장치는 하나가 아니다. 타이머도, 키보드도, 통신선도 저마다 「일이 생겼다」고 부른다. 그러면 끼어드는 것들끼리도 부딪친다.

★ 넷째 줄이 특히 낯설다. 인터럽트는 세어지지 않는다. 「부탁이 있었다」는 사실은 켜짐과 꺼짐 하나로 적히는 것이 보통이라, 처리되기 전에 열 번이 더 와도 처리는 한 번 일어난다. 그래서 바깥을 다루는 코드는 「몇 번 불렸나」를 세는 대신 장치에게 무슨 일이 있었는지를 물어본다.

11.7.2 「물어본다」는 것이 무슨 뜻인가#

방금 「장치에게 물어본다」고 했다. 그런데 어떻게 묻는가? 편지를 보내는가? 무슨 함수를 부르는가?

정해진 주소를 읽는 것이 곧 묻는 것이다. 새 문법도, 특별한 함수도 없다.

앞에서 바깥 장치는 「정해진 자리에 값을 쓰고 읽는 방식으로 다룬다」고 했다. 그 자리를 장치의 창구라고 생각하면 된다. 창구는 주소로 가리키지만 기억이 아니다. CPU 가 그 주소를 선에 실으면, 그 주소로 배선된 장치가 지금 자기 상태를 값으로 실어 보낸다. 읽기 한 번이 질문이고, 그때 실려 오는 값이 대답이다 — 주고받는 절차가 따로 있는 것이 아니다.

장치가 여는 창구는 대개 이런 것들이다.

예를 들어 보자. 문자를 받는 장치(9장의 그 통에 글자를 넣어 주는 쪽)에 인터럽트가 걸렸다. 그런데 그 사이에 바이트가 셋 도착해 있었다면?

「몇 번 불렸나」를 세는 코드는 한 번 불렸으니 하나만 가져가고, 나머지 둘을 잃는다. 물어보는 코드는 이렇게 한다.

void uart_isr(void)                          /* 인터럽트가 걸리면 불린다 */
{
    while (*UART_STATUS & RX_READY)          /* 「받을 것이 있나?」 --- 묻는다 */
        buffer_push(*UART_DATA);             /* 「이거」 --- 읽으면 한 바이트가 나온다 */
}

*UART_STATUS 는 상태 창구를 읽는 것이고, 그 값의 한 비트가 「받을 것이 있다」를 뜻한다. 있으면 자료 창구를 읽어 한 바이트를 가져오고, 다시 묻는다. 셋이 와 있었다면 고리를 세 번 돌고, 없으면 한 번도 안 돌고 끝난다. 몇 번 불렸는지는 아무 상관이 없다.

여기에 처음 보면 놀라운 성질이 하나 붙는다. 읽는 행위가 장치의 상태를 바꾼다. 자료 창구를 읽으면 그 바이트는 장치의 큐에서 빠지고, 더 남은 것이 없으면 상태 창구의 「받을 것이 있다」 비트도 저절로 내려간다. 그래서 위의 고리는 저절로 멈춘다.

11.7.3 처리하는 도중에 또 오면 — 기존 코드는 이렇게 견딘다#

앞 표의 「중첩」이 실무에서 가장 성가신 줄이다. 처리기가 도는 도중에 다른 인터럽트가 또 들어오면, 같은 코드가 자기 자신이 끝나기 전에 다시 시작될 수도 있다.

그래서 기계와 코드가 함께 대처한다. 먼저 기계 쪽 — 대부분의 칩은 처리기로 뛰어드는 순간 인터럽트를 자동으로 막아 둔다. 우선순위를 두는 기계라면 「같은 급 이하만 막고, 더 급한 것은 들어오게」 한다. 그래서 중첩은 아무 때나 일어나는 것이 아니라 더 급한 것에 한해 일어난다.

그 위에 코드 쪽의 규율이 얹힌다. 오래된 코드부터 요즘 코드까지 되풀이되는 것은 다섯 가지다.

★ 첫 줄이 나머지를 거의 다 덮는다. 처리기가 짧으면 겹칠 일도 줄고, 겹쳐도 금방 풀린다. 그래서 오래된 장치 코드일수록 처리기가 놀랄 만큼 짧다 — 한 바이트를 통에 옮기고, 「할 일이 생겼다」는 표시를 하나 세우고, 그것으로 끝이다.

운영체제 위에서도 같은 얼개가 반복된다. 신호 처리기가 도는 동안 같은 신호는 대개 막혀 있고, 처리기 안에서 할 수 있는 일이 아주 좁게 정해져 있다. 왜 그런 규칙이 생겼는지는 81장에서 규칙과 함께 본다.

11.8 둘은 어떻게 다른가 — 인터럽트와 멀티태스킹#

여기까지 오면 두 가지가 한 자리에서 만나는 것이 보인다. 그래서 오히려 갈라 두어야 한다. 비슷해 보이지만 목적이 분명히 다르다.

★ 넷째 줄이 둘을 가르는 가장 또렷한 자리다. 인터럽트는 원래 하던 일로 돌아가는 것이 기본이고, 전환은 그 위에 운영체제가 얹은 선택이다. 시계 인터럽트가 걸렸다고 해서 반드시 다른 일로 넘어가는 것이 아니다 — 시간이 남았으면 그대로 돌아간다.

거꾸로 멀티태스킹은 인터럽트 없이도 성립할 수 있다. 협력형이 그렇다 — 프로그램이 스스로 양보하는 자리에서만 전환하면 시계가 없어도 된다. 다만 그 방식이 어떤 병을 앓는지는 앞에서 보았다.

같은 순간에 둘이 각각 무엇을 정하는지 갈라 보면 이렇다. 시계가 인터럽트를 걸면 하드웨어가 지금 명령까지 끝내고 처리기로 뛰며, 처리기가 도는 동안 인터럽트를 잠시 막아 둔다. 그 사이 운영체제는 시각을 세고 이 일의 시간이 다 됐는지 본다. 그리고 처리기가 끝날 때 하드웨어는 문맥을 원래대로 되돌리는데 — 운영체제는 그 문맥을 다른 것으로 바꿔 놓을 수 있다.

셋째 줄의 마지막 칸이 「전환」이 실제로 일어나는 자리다. 운영체제는 인터럽트에서 돌아갈 때 돌아갈 자리를 바꿔치기한다. 하드웨어가 보기에는 그저 처리기에서 돌아가는 것인데, 돌아가 보니 다른 프로그램이 돌고 있다.

11.9 한때는 이것이 개인용 컴퓨터의 거의 전부였다#

지금은 인터럽트가 커널 아래로 내려가 잘 보이지 않는다. 그러나 개인용 컴퓨터의 첫 시대에는 이것이 사용자 가까이 있었다. 도스 시절 이야기다.

그 시절의 기계에는 인터럽트 번호마다 「이 번호가 오면 여기로 뛰어라」를 적어 두는 표가 있었고, 그 표는 기억의 맨 앞에 놓여 있었다(4장에서 0번지 부근이 왜 특별한지 이야기했다). 놀라운 것은 그 표에 응용 프로그램이 자기 주소를 적어 넣을 수 있었다는 점이다.

도스에는 태스크 스위처도 있었다. 프로그램 여럿을 띄워 두고 화면을 바꿔 가며 쓰되, 뒤로 간 것은 통째로 재워 두는 방식이다 — 앞에서 본 갈래표의 첫 줄이 그것이다. 기억이 640 KiB 남짓이던 기계에서는 그것만으로도 큰 편의였다.

★ 넷째 줄과 다섯째 줄이 특히 이 시대를 말해 준다. 도스는 한 번에 한 프로그램만 돌리는 물건이었는데, 응용 프로그램이 시계 인터럽트를 가로채 실행을 잘게 나누면 여러 프로그램을 번갈아 돌릴 수 있었다. 실제로 그런 제품이 있었고, 운영체제가 아니라 응용 프로그램 하나가 그 일을 해냈다.

11.10 오늘 이 이야기가 어디로 이어지는가#

도스는 갔지만 구조는 남았다. 이 장에서 본 것이 어디로 이어지는지만 짚어 둔다.

이 장에서 가져갈 것은 세 문장이다. 바깥 장치는 정해진 자리에 값을 쓰고 읽는 방식으로 다룬다. 인터럽트는 언제든 올 수 있고, 여럿이 오면 서로 부딪친다. 그리고 그 위에서 「여러 프로그램이 동시에 도는 것처럼 보이는 일」이 성립한다.

쓸 일은 없을 것이다. 그러나 기계가 어떻게 여러 일을 번갈아 하는지, 왜 어떤 코드는 「언제든 끼어들 수 있다」는 가정 아래 짜여야 하는지 — 그 감각은 남는다.