세마포어(Semaphore)와 동기화 이해하기

https://www.keil.com/pack/doc/CMSIS/RTOS/html/group__CMSIS__RTOS__SemaphoreMgmt.html

 

 

세마포어(Semaphore)는 다중 프로그래밍 환경에서 동기화 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나입니다. 이 블로그 글에서는 세마포어의 개념과 사용 방법에 대해 설명하고, 관련된 동기화 기법에 대해서도 알아보겠습니다.

 

 

1. 동기화(Synchronization)란?

다중 프로그래밍 환경에서 여러 개의 스레드나 프로세스가 동시에 실행됩니다. 이 때 공유 자원에 동시에 접근하여 문제가 발생하는 경우를 '경쟁 상태(Race Condition)'라고 합니다. 동기화는 이러한 경쟁 상태를 방지하기 위해 스레드나 프로세스 간의 실행 순서를 조절하는 것입니다.

 

 

2. 세마포어(Semaphore)의 개념

세마포어는 공유 자원에 접근하는 스레드의 수를 제한하는 카운터입니다. 세마포어의 값은 정수이며, 일반적으로 두 가지 연산을 지원합니다.

• Wait (또는 P) 연산: 세마포어의 값을 감소시킵니다. 값이 음수가 되면, 호출한 스레드는 대기 상태로 전환됩니다.
• Signal (또는 V) 연산: 세마포어의 값을 증가시킵니다. 값이 0 이상이면, 대기 중인 스레드 중 하나가 실행 상태로 전환됩니다.

세마포어는 경쟁 상태를 방지하기 위해 공유 자원을 사용하기 전에 Wait 연산을 수행하고, 사용이 끝난 후에 Signal 연산을 수행합니다. 이를 통해 공유 자원에 동시에 접근하는 스레드의 수를 제어할 수 있습니다.

 

 

3. 세마포어의 종류

세마포어는 두 가지 종류가 있습니다.

• 이진 세마포어(Binary Semaphore): 세마포어의 값이 0 또는 1만 가질 수 있습니다. 이진 세마포어는 상호 배제(Mutual Exclusion)를 구현할 때 사용됩니다.
• 일반 세마포어(Counting Semaphore): 세마포어의 값이 양수일 수 있습니다. 일반 세마포어는 공유 자원에 동시에 접근할 수 있는 스레드의 수를 제한할 때 사용됩니다.

 

4. 세마포어 사용 예제 (Java)

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreExample {
    private static final int MAX_CONCURRENT_THREADS = 5;
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(MAX_CONCURRENT_THREADS);

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread worker = new WorkerThread(i + 1);
            worker.start();
        }
    }

    static class WorkerThread extends Thread {
        private int id;

        public WorkerThread(int id) {
            this.id = id;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("Thread " + id + " is working...");
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println("Thread " + id + " finished working.");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                semaphore.release();
            }
        }
    }
}

 

위 예제에서는 `Semaphore`를 사용하여 동시에 실행되는 스레드의 수를 5개로 제한합니다. 각 스레드는 공유 자원을 사용하기 전에 `semaphore.acquire()`를 호출하여 세마포어를 획득하고, 사용이 끝난 후 `semaphore.release()`를 호출하여 세마포어를 반환합니다.

5. 관련 동기화 기법

세마포어 외에도 경쟁 상태를 방지하기 위한 동기화 기법이 있습니다.

- 뮤텍스(Mutex, Mutual Exclusion): 상호 배제를 위한 동기화 기법으로, 공유 자원에 한 번에 하나의 스레드만 접근할 수 있도록 제한합니다. 뮤텍스는 공유 자원을 사용하는 스레드가 Lock을 획득하고, 사용이 끝난 후에 Unlock을 수행합니다.
- 모니터(Monitor): 객체 지향 프로그래밍에서 사용되는 동기화 기법으로, 공유 자원에 대한 접근을 동기화하는 메서드를 사용합니다. Java에서는 `synchronized` 키워드를 사용하여 모니터를 구현할 수 있습니다.

 

 

결론

세마포어는 다중 프로그래밍 환경에서 동기화 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나입니다. 세마포어는 공유 자원에 접근하는 스레드의 수를 제한하여 경쟁 상태를 방지합니다. 이진 세마포어와 일반 세마포어가 있으며, 상호 배제와 공유 자원에 동시에 접근할 수 있는 스레드의 수를 제한하는 데 사용됩니다. 세마포어 외에도 뮤텍스와 모니터와 같은 동기화 기법이 있습니다. 이러한 동기화 기법을 이해하고 사용하면 다중 프로그래밍 환경에서 안정적인 프로그램을 작성할 수 있습니다. 이를 통해 동시에 실행되는 스레드 간의 실행 순서를 제어하고, 공유 자원에 대한 안전한 접근을 보장할 수 있습니다.

 

마지막으로 동기화 기법을 사용할 때 주의할 점이 있습니다. 동기화 기법을 과도하게 사용하면 성능 저하와 교착 상태(Deadlock)와 같은 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 필요한 경우에만 동기화를 사용하고, 항상 코드 최적화를 고려하시기 바랍니다.