유한 버퍼 문제 (Bounded-Buffer Problem)

Jan 27, 2026

핵심 개념

유한 버퍼 문제는 고정 크기 n개의 버퍼 슬롯을 두고, 생산자(Producer)는 아이템을 채우고 소비자(Consumer)는 아이템을 꺼내는 상황에서의 동기화 문제이다.

비유하면 컨베이어 벨트 도시락 공장과 같다. 요리사(생산자)는 빈 도시락 칸에 음식을 채우고, 포장직원(소비자)은 채워진 도시락을 가져간다. 벨트가 가득 차면 요리사는 대기하고, 벨트가 비면 포장직원은 대기한다.

해결해야 하는 3가지 문제:

생산자가 가득 찬 버퍼에 쓰려 하면 데이터 손실
소비자가 빈 버퍼에서 읽으려 하면 잘못된 데이터 접근
동시 접근 시 경쟁 조건(Race Condition) 발생

동작 원리

3개의 세마포어로 해결

int n;                    // 버퍼 크기
semaphore mutex = 1;      // 상호 배제 (버퍼 접근 보호)
semaphore empty = n;      // 빈 슬롯 수 (초기값 n)
semaphore full = 0;       // 채워진 슬롯 수 (초기값 0)

세마포어	초기값	역할
`mutex`	1	버퍼에 대한 상호 배제 (한 번에 하나만 접근)
`empty`	n	빈 슬롯 개수 추적 (생산자가 대기하는 조건)
`full`	0	채워진 슬롯 개수 추적 (소비자가 대기하는 조건)

생산자 코드

while (true) {
    /* 아이템 생산 */
    wait(empty);          // 빈 슬롯 대기 (empty--)
    wait(mutex);          // 임계 영역 진입
    /* 버퍼에 아이템 추가 */
    signal(mutex);        // 임계 영역 퇴장
    signal(full);         // 채워진 슬롯 증가 (full++)
}

소비자 코드

while (true) {
    wait(full);           // 채워진 슬롯 대기 (full--)
    wait(mutex);          // 임계 영역 진입
    /* 버퍼에서 아이템 제거 */
    signal(mutex);        // 임계 영역 퇴장
    signal(empty);        // 빈 슬롯 증가 (empty++)
    /* 아이템 소비 */
}

대칭적 관계

생산자: full 버퍼를 생산 -> 소비자에게 제공
소비자: empty 버퍼를 생산 -> 생산자에게 제공

생산자와 소비자는 서로의 자원을 만들어주는 대칭적 관계이다. 생산자는 소비자가 소비할 아이템을 만들고, 소비자는 생산자가 채울 빈 공간을 만든다.

전체 흐름 도식

         [생산자]               [소비자]
            |                      |
            v                      v
        wait(empty)            wait(full)
            |                      |
            v                      v
        wait(mutex)            wait(mutex)
            |                      |
            v                      v
    +-----------------------------------+
    |  Buffer: [*][*][ ][ ][ ]         |
    |          full=2, empty=3          |
    +-----------------------------------+
            |                      |
            v                      v
       signal(mutex)          signal(mutex)
            |                      |
            v                      v
        signal(full)          signal(empty)

예시

프린터 스풀러: 응용 프로그램(생산자)이 인쇄 작업을 큐에 넣고, 프린터 드라이버(소비자)가 큐에서 작업을 꺼내 인쇄한다.

주의: wait() 순서가 중요하다!

// 올바른 순서
wait(empty);    // 먼저 빈 슬롯 확인
wait(mutex);    // 그 다음 임계 영역 진입

// 잘못된 순서 - 교착 상태(Deadlock) 발생!
wait(mutex);    // 임계 영역 먼저 잠금
wait(empty);    // 빈 슬롯이 없으면 영원히 대기
                // mutex를 잡은 채로 대기하므로
                // 소비자도 mutex를 얻지 못해 교착 상태