세마포어

프로세스 / 쓰레드에서 공유 자원의 접근을 제어하는 정수형 변수입니다. 즉, 자원이 몇개 남았는지 나타내는 카운터입니다.
여러 스레드가 같은 변수 / 버퍼 / 장치 등에 동시에 접근하면 잘못된 결과를 낼 수 있기때문에 사용합니다.

구성요소

1. 정수값(value)
   1. 현재 자원이 몇 개 남았는지를 나타냅니다. (value 가 3이면 동시에 3개의 쓰레드가 접근 가능)
2. 대기 큐 (waiters list)
   1. 자원이 부족할 때 기다리는 스레드들을 담고 있습니다.

주요연산

• P() 또는 wait() 또는 down()
  → 세마포어 값을 1 감소. 값이 0 이하라면 대기(block) 상태입니다. [sema_down()]
• V() 또는 signal() 또는 up()
  → 세마포어 값을 1 증가. 대기 중인 스레드가 있으면 하나를 깨웁니다. [sema_up()]

특징

• 음수 가능 → 대기 큐에 여러 스레드를 넣을 수 있습니다. (실제 세마포어값은 0인데, 대기열 수를 나타낸다)
• 자원 개수 지정 가능 → 여러 개의 자원을 관리하는데 사용합니다.

방식(Busy-waiting, Block-wakeup)

1. Busy-waiting 방식

자원이 없을 때 계속 루프를 돌면서 대기하는 방식입니다.

while (sema.value == 0) {
    // 아무 일도 안 하고 기다림
}
// 자원 사용
sema.value--;

문제점

• CPU 낭비: 아무 것도 안하면서 CPU를 점유합니다.
• 멀티태스킹 환경에서 비효율적: 다른 스레드와 프로세스가 실행될 기회를 뺏습니다.

장점

• 구현이 단순합니다.
• context switch 없이 빠르게 재시도 가능합니다. (간단한 경우에는 빠르게 반응)

사용 예

• 짧은 시간만 기다릴때 (스핀락)
• 멀티코어 CPU에서 lock 경쟁이 짧을 때

2. Block-Wakeup 방식

자원이 없을 때 스레드를 block시키고, 자원이 생기면 wakeup시켜서 다시 실행되게 하는 방식입니다.

if (sema.value == 0) {
    block_this_thread();   // 스케줄러에게 CPU 반납
} else {
    sema.value--;
}

// sema_up()에서 자원이 생길시
sema.value++;
wakeup_one_waiter();  // 기다리던 스레드 중 하나 깨움

장점

• CPU 낭비가 없음: 대기 스레드는 sleep 상태로 CPU를 점유하지 않습니다.
• 멀티태스킹 환경 적합: 스케줄러가 다른 작업을 할 수 있습니다.

단점

• 구현이 복잡하고 Context switch 비용이 듭니다.
• 짧은 대기에는 오히려 느릴 수 있습니다.

사용 예

• thread_block()으로 스레드를 막고, thread_unblock()으로 깨웁니다.
• PintOS의 세마포어는 이 방식을 사용합니다.

PintOS에서

/* Pintos 세마포어 초기화 */
sema_init(&sema, 1);

/* 자원 획득 (down) */
sema_down(&sema);

/* 자원 해제 (up) */
sema_up(&sema);

Pintos의 thread/synch.c 에서 sema_down, sema_up 함수가 사용되며, 우선 순위 기아 현상 방지를 위해 보완하여야 합니다.

Pintos에서는 세마포어가 semaphore 구조체에 정의되어 있습니다.