세마포어 (Semaphore)

Jan 28, 2026

핵심 개념

세마포어(Semaphore)는 정수 값을 가지며 wait()과 signal() 두 원자적 연산으로만 접근하는 동기화 도구이다. Edsger Dijkstra가 제안했으며, 뮤텍스보다 표현력이 높아 자원 관리와 순서 제어 등 다양한 동기화 문제를 해결할 수 있다.

비유하면, 주차장 관리 시스템이다. 세마포어 값 = 남은 주차 공간 수. 차가 들어오면 wait() → 공간 감소, 차가 나가면 signal() → 공간 증가, 공간이 0이면 대기.

동작 원리

기본 연산

P 연산 (wait, proberen): S ≤ 0이면 대기, 아니면 S— 후 진행
V 연산 (signal, verhogen): S++ 후, 대기 중인 프로세스 깨움

세마포어 종류

종류	값 범위	용도
Binary Semaphore	0, 1	상호배제 (Mutex처럼 사용)
Counting Semaphore	0 ~ N	유한 자원 관리 (N개 자원)

Sleep/Wakeup 구현 (Busy Waiting 제거)

typedef struct {
    int value;
    struct process *list;  // waiting queue
} semaphore;

wait(semaphore *S) {
    S->value--;
    if (S->value < 0) {
        add this process to S->list;
        sleep();
    }
}

signal(semaphore *S) {
    S->value++;
    if (S->value <= 0) {
        remove a process P from S->list;
        wakeup(P);
    }
}

이 구현에서 음수 값 = 대기 중인 프로세스 수.

활용 패턴

1. 상호배제:

semaphore mutex = 1;
wait(mutex);
/* critical section */
signal(mutex);

2. 실행 순서 제어 (S1 → S2):

semaphore synch = 0;
// P1: S1; signal(synch);
// P2: wait(synch); S2;

3. 유한 자원 관리 (N개 자원):

semaphore resource = N;
wait(resource);    // 자원 획득
/* use resource */
signal(resource);  // 자원 반환

흔한 실수

// 실수 1: 순서 뒤바꿈 → 상호배제 위반
signal(mutex); /* CS */ wait(mutex);

// 실수 2: wait 두 번 → 영구 블록(deadlock)
wait(mutex); /* CS */ wait(mutex);

// 실수 3: wait 또는 signal 누락

이런 문제를 해결하기 위해 **모니터(Monitor)**가 등장했다.

예시

생산자-소비자 문제에서 counting semaphore 활용:

empty = N (빈 슬롯 수), full = 0 (찬 슬롯 수), mutex = 1
생산자: wait(empty) → wait(mutex) → 생산 → signal(mutex) → signal(full)
소비자: wait(full) → wait(mutex) → 소비 → signal(mutex) → signal(empty)