1 개요
세마포어는 에츠허르 다익스트라 가 제안한 교착 상태에 대한 해법으로 두개의 Atomic한 함수로 제어되는 정수 변수로 멀티프로그래밍 환경에서 공유자원에 대한 접근 제어를 하는 방식으로 1개의 공유되는 자원에 제한된 개수의 프로세스, 또는 스레드만 접근할 수 있도록 한다.[1] 다만, 해당 방법은 모든 교착 상태에 대한 해답을 제시해 줄 수 없으나 교착 상태 해법에 대한 고전적인 해법으로 아직도 대다수의 운영체제 과목 및 시스템 프로그래밍 과목에서 언급되는 개념이다. 이 방법으로 해결되는 대표적인 문제가 식사 하는 철학자 문제 이다.
2 왜 필요한가
예를 들어, 아래의 변수가 있다고 하자.
int a = 0;
이러한 상황에 해당 값은 전역변수로 설정되어있고, 이 프로그램은 여러개의 쓰레드가 a의 값을 증가시키는 프로그램이라고 할 때 이러한 증상이 발생한다.
Process A -> fetch a(0)
Process B -> fetch a(0)
Process A -> increase a(1)
Process A -> Store a back(1)
Process B -> increase a(1)
Process B -> Store a back(1)
여기서, 외부에서 보게되면 변수 a에 대해서 1씩 증가하는 과정이 2번 일어났다. 그럼으로 B프로세스가 종료되었을 때는 a는 2가 되어야 하나 여기서는 1이 되어버렸다. 즉, A가 결과를 주기 전에 B가 수행되면서 엉뚱한 값을 시작값으로 가져와서 결과가 잘못 나와 버렸다. 이를 방지하기 위해서 세마포어를 이용하여 a 변수에 Process A가 접근 하고 있을 때 Process B를 정지 시키고 Process A가 종료 되었을 때 B가 시작되도록 다시 시작하게 하면 해결된다.
3 작동 원리
세마포어의 작동 원리는 상호 배제 알고리즘(Mutual Exclusion)에 기반한다. 세마포어는 원자적으로 제어되는 정수 변수로, 일반적으로 세마포어의 값이 0이면 자원에 접근할 수 없도록 블럭을 하고 0보다 크면 접근함과 동시에 세마포어의 값을 1 감소시킨다. 반대로 종료하고 나갈 때에는 세마포어의 값을 1 증가시켜 다른 프로세스가 접근할 수 있도록 한다. 여기서 접근되는 자원은 임계 구역으로 이 설정에 따라서 프로그램의 퍼포먼스가 극단적으로 하락할 수 있어 사용에 세심한 주의가 필요하다.[2]