세마포어란?
: 여러 프로그램이 동시에 공유 자원에 접근하려고 할 때, 순서를 정해서 문제를 막아주는 도구
한 번에 한 명씩 들어갈 수 있도록 문 앞에 걸어두는 열쇠 같은 역할
왜 필요할까?
예를 들어, 집에 컴퓨터 한 대만 있다고 가정할 때, 가족 모두가 컴퓨터를 동시에 쓰려고 하면 문제가 생긴다.
- 상황1: 동생은 컴퓨터를 켜서 게임을 하려고 한다.
- 상황2: 나는 숙제를 하기 위해 컴퓨터를 끄려고 한다.
위 상황 2개가 동시에 진행된다면 컴퓨터가 오작동할 수 있다.따라서 세마포어는 이런 상황에서 컴퓨터는 한 번에 한 명만 사용하도록 규칙을 세우고, 누가 사용할지 순서를 정해주는 역할을 한다.
어떻게 작동할까?
- p()함수 (잠금)
: 세마포어 값을 감소시켜 다른 프로세스의 접근 차단한다.
- v()함수 (해제)
: 세마포어 값을 증가시켜 대기 중인 프로세스가 접근 가능하도록 한다.
세마포어 함수
1. semget()
- 세마포어 생성
- 인자
- key: IPC_PRIVATE 또는 ftok() 함수로 생성한 키
- nsems: 생성할 세마포어 개수
- semflg: 플래그 및 접근 속성
- 반환값: 성공 시 식별자, 실패 시 -1
2. semctl()
- 세마포어 제어
- 인자
- semid: 세마포어 식별자
- semnum: 제어 대상 세마포어 번호
- cmd: 수행할 명령
- 추가 인자: 제어 명령에 따라 필요 시
- 반환값: 성공 시 0, 실패 시 -1
3. semop()
- 세마포어 연산 (잠금/해제)
- 인자
- semid: 세마포어 식별자
- sops: sembuf 구조체의 주소
- nsops: sops가 가르키는 구조체의 크기
- 반환값: 성공 시 0, 실패 시 -1
세마포어 예제
#include <sys/ipc.h> // IPC 시스템 호출 함수
#include <sys/sem.h> // 세마포어 관련 함수
#include <sys/types.h> // 시스템 데이터 타입 정의
#include <errno.h> // 오류 코드
#include <unistd.h> // 시스템 호출 함수
#include <stdlib.h> // 표준 라이브러리 함수
#include <stdio.h> // 입출력 함수
// 세마포어 관련 유니언 정의
union semun {
int val; // 세마포어 값
struct semid_ds *buf; // 세마포어 상태 정보
unsigned short *array; // 세마포어 값 배열
};
// 1)세마포어 생성 및 초기화 함수
int initsem(key_t semkey)
{
union semun semunarg;
int status = 0, semid;
// 세마포어 생성 (IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600 : 생성 전 존재 여부 확인)
semid = semget(semkey, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600);
if (semid == -1)
{
// 세마포어가 이미 존재하는 경우
if (errno == EEXIST)
semid = semget(semkey, 1, 0); // 기존 세마포어 ID 가져오기
}
else
{
// 세마포어 초기화 (val = 1)
semunarg.val = 1;
status = semctl(semid, 0, SETVAL, semunarg); // 세마포어 값을 1로 설정
}
if (semid == -1 || status == -1)
{
perror("initsem");
return (-1); // 오류 발생 시 -1 반환
}
return semid; // 세마포어 ID 반환
}
// 2)세마포어 연산: 세마포어 락 (잠금) 함수
int semlock(int semid)
{
struct sembuf buf;
buf.sem_num = 0; // 첫 번째 세마포어 사용
buf.sem_op = -1; // 세마포어 값을 감소 (잠금)
buf.sem_flg = SEM_UNDO; // 프로세스 종료 시 세마포어 원복
if (semop(semid, &buf, 1) == -1)
{
perror("semlock failed");
exit(1); // 오류 발생 시 종료
}
return 0;
}
// 2)세마포어 연산: 세마포어 언락 (잠금 해제) 함수
int semunlock(int semid)
{
struct sembuf buf;
buf.sem_num = 0; // 첫 번째 세마포어 사용
buf.sem_op = 1; // 세마포어 값을 증가 (잠금 해제)
buf.sem_flg = SEM_UNDO;
if (semop(semid, &buf, 1) == -1)
{
perror("semunlock failed");
exit(1); // 오류 발생 시 종료
}
return 0;
}
// 3) 세마포어 호출: 세마포어 처리 함수 (각 프로세스에서 호출)
void semhandle()
{
int semid;
pid_t pid = getpid(); // 현재 프로세스 ID 가져오기
semid = initsem(1); // 세마포어 생성 또는 연결
if (semid < 0)
{
exit(1); // 세마포어 초기화 실패 시 종료
}
// 세마포어 잠금 (크리티컬 섹션 시작)
semlock(semid);
printf("Lock : Process %d\n", (int)pid);
printf("** Lock Mode : Critical Section\n");
sleep(1); // 크리티컬 섹션에서 1초 동안 작업 수행
printf("Unlock : Process %d\n", (int)pid);
// 세마포어 잠금 해제 (크리티컬 섹션 끝)
semunlock(semid);
exit(0); // 프로세스 종료
}
// 4) 메인 코드
int main()
{
int a;
// 3개의 자식 프로세스 생성
for (a = 0; a < 3; a++)
{
if (fork() == 0) // 자식 프로세스가 생성되면
semhandle(); // 세마포어 처리 함수 호출
}
return 0;
}실행화면
Lock : Process 1234
** Lock Mode : Critical Section
Unlock : Process 1234
Lock : Process 1235
** Lock Mode : Critical Section
Unlock : Process 1235
Lock : Process 1236
** Lock Mode : Critical Section
Unlock : Process 1236- 위 코드는 세마포어를 사용하여 여러 프로세스가 동시에 공유 자원에 접근하지 못하도록 순서를 정해주는 예제
주요 흐름
1.세마포어 초기화
- semget() 함수를 사용하여 세마포어를 생성한다.
- 세마포어 값은 1로 설정되어, 한 번에 하나의 프로세스만 크리티컬 섹션에 접근할 수 있도록 한다.
- 세마포어 잠금
- semop() 함수로 세마포어 값을 -1로 변경하여 잠금을 설정한다.
- 이를 통해 다른 프로세스가 크리티컬 섹션에 접근하지 못하게 한다.
- 세마포어 잠금 해제
- 작업이 끝나면 semop() 함수로 세마포어 값을 1로 변경하여 잠금을 해제합니다.
- 이렇게 하면 대기 중인 다른 프로세스가 크리티컬 섹션에 들어갈 수 있게 된다.
- 프로세스 생성
- fork() 함수로 3개의 자식 프로세스를 생성한다.
- 각 자식 프로세스는 semhandle() 함수를 호출하여 세마포어를 통해 순서대로 크리티컬 섹션에 접근한다.
결과
- 각 프로세스는 세마포어를 이용해 순서대로 "크리티컬 섹션"에 접근하고, 1초 동안 작업을 수행한 뒤 순차적으로 잠금을 해제한다.
- 세마포어 덕분에 여러 프로세스가 동시에 자원을 사용하지 않게 되어, 자원에 대한 충돌이 발생하지 않는다.
