💿 KAIST:PINTOS | Concept | Semaphore

앞선 글에서 뮤텍스(Mutex)를 통해 한 번에 하나의 스레드만 자원을 사용하는 구조를 살펴보았다.
이번에는 뮤텍스를 일반화한 개념인 세마포어(Semaphore)를 알아보자.
세마포어는 동시에 여러 개의 자원을 관리할 수 있다는 점에서 뮤텍스보다 확장된 구조다.

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🚦 세마포어란 무엇인가?

세마포어는 운영체제에서 자원의 개수를 세는 정수 변수로,
자원을 사용할 수 있는 개수를 기반으로 스레드의 동작을 제어하는 장치다.

예를 들어, 주차장에 3개의 빈자리가 있다면 세마포어 값을 3으로 설정한다.
차가 하나 들어오면 2, 또 하나 들어오면 1... 모두 차면 0이 되며,
그다음 들어오려는 차는 자리가 날 때까지 기다리게 된다.

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🧠 세마포어의 핵심 연산

세마포어는 두 가지 연산으로 구성된다.

연산	설명	쉬운 말로
sema_down()	자원을 얻기 위한 요청. 값이 0이면 기다린다.	"나 들어가도 될까?"
sema_up()	자원을 반납하고 대기 중인 스레드를 깨운다.	"나 다 썼어, 다음 사람 와!"

이 두 연산은 반드시 원자적으로(atomic) 실행되어야 한다.
즉, 중간에 끼어들 수 없고 단일 동작으로 처리돼야 한다.

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🧃 쉬운 비유: 컵 제공기

• 종이컵이 3개 꽂혀 있는 자동 컵 제공기가 있다고 생각해보자.
• 사람이 하나씩 꺼내 간다 → 컵이 하나씩 줄어든다.
• 컵이 0개면 기다려야 하고, 누군가 컵을 다시 채우면 → 다음 사람이 가져갈 수 있다.

이 구조가 바로 세마포어다.

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🧵 세마포어는 어떤 상황에 쓰이나?

상황	설명
자원 수 제한	한 번에 여러 개의 자원을 관리해야 할 때 (예: 연결 가능한 네트워크 소켓 수, 프린터 수 등)
스레드 간 순서 제어	한 스레드가 특정 조건을 만족할 때 다른 스레드를 깨우는 데 사용된다.
락 구현	세마포어(1)을 이용하면 뮤텍스처럼 사용할 수 있다. 실제로 PintOS의 락은 세마포어로 구현되어 있다.

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📂 PintOS에서 세마포어는 어떻게 쓰이나?

PintOS에서는 struct semaphore 라는 구조체로 세마포어가 정의되어 있다.

struct semaphore {
  unsigned value;               // 현재 자원 개수
  struct list waiters;          // 대기 중인 스레드 리스트
};

그리고 다음과 같은 함수로 동작한다:

void sema_down(struct semaphore *sema); // 자원 요청
void sema_up(struct semaphore *sema);   // 자원 반환

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🧬 락과 세마포어의 관계

• 락(lock) 은 세마포어의 특별한 형태다.
• PintOS의 struct lock은 내부적으로 struct semaphore를 포함한다.
• 즉, 우리가 락을 쓴다고 생각하지만, 실제로는 sema_down()과 sema_up()이 내부에서 호출되고 있는 것이다.

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🧪 세마포어가 중요한 이유

PintOS의 priority-* 테스트에서는 세마포어가 단순 자원 제한용이 아닌, 스레드 우선순위 스케줄링에 영향을 준다.

• sema->waiters 리스트는 priority 기준으로 정렬되어야 한다.
• sema_up() 시에도 가장 높은 priority의 스레드부터 깨워야 한다.

이걸 구현하지 않으면 priority-sema, priority-donate-sema, priority-condvar 같은 테스트에서 실패하게 된다.

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✅ 정리

• 세마포어는 여러 개의 자원을 관리하거나 스레드 간 실행 순서를 조율하는 데 사용하는 도구다.
• sema_down()으로 자원을 요청하고, sema_up()으로 자원을 반환한다.
• PintOS에서는 락과 조건변수도 세마포어를 기반으로 동작한다.
• 단순한 뮤텍스를 넘어서, 멀티자원 관리와 우선순위 기반 스케줄링까지 포함하는 강력한 개념이다.