출처 : http://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/
Concurrency
Semaphore란 무엇인가?
세마포어(Semaphore)라는 용어는 깃발로 신호를 표현하는 세마포어 플래그 신호(Flag Semaphore)에서 가져왔습니다.1 컴퓨터의 세마포어 또한 이와 비슷한 역할을 합니다. 이제 이것에 대해 본격적으로 알아보도록 하겠습니다. 세마포어는 초기화 과정과 동작에 필요한 2개의 과정(sema_wait()와 sem_post())으로 구성됩니다.
먼저 sem_init을 좀 더 살펴보도록 하겠습니다. POSIX 표준2에 따르면 아래와 같은 선언을 가지고 있습니다.
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)
여기서 sem은 초기화할 세마포어의 포인터를 넣는 위치입니다. 그리고 pshared 값이 0인 경우에는 세마포어는 프로세스 안에서의 쓰레드들끼리 공유가 되나, 그 외 경우에는 프로세스 간 공유가 되게 됩니다. 마지막으로 value는 세마포어가 가지는 초기 값을 지칭합니다. 아래와 같이 사용하여 초기화를 수행하도록 합니다.
#include<semaphore.h>
sem_t s;
sem_init(&s, 0, 1);
다음으로 sem_wait(sem_t *s)를 알아보도록 하겠습니다. 이는 sem_t *s에서 받은 세마포어 값이 1 이상이면 그 값을 감소시키고 즉시 함수를 빠져나가도록 합니다. 하지만 그 값이 0 이라면 이 값이 1 이상이 되어 감소를 수행할 수 있거나 인터럽트 호출이 있지 않는 이상 현재 지점에서 작업이 대기하도록 만듭니다.
그리고 sem_post(sem_t *s)는 sem_t *s로 받은 세마포어의 값을 증가시키도록 합니다. 만약 세마포어 값이 이로 인해 1 이상이 된다면 다른 sem_wait()에 의해 대기 중인 프로세스 혹은 쓰레드를 깨우도록 합니다.
Binary Semaphore
이러한 세마포어의 활용 예제로 이진세마포어(binary semaphore)가 있습니다. 이러한 이진세마포어는 위에서 초기화 가정에서 초기값을 1로 주어 사용하는 것을 의미합니다. 이런 이진세마포어는 락과 동등한 역할을 합니다.
// binary semaphore // lock
// ==================== // ====================
sem_t m; // lock_t m;
sem_init(&m, 0, 1); //
//
sem_wait(&m); // lock(&m)
// 임계 구역 // // 임계 구역
sem_post(&m); // unlock(&m)
이와 비슷하게 활용하는 예제로 조건 변수와 같이 활용하는 방법이 있습니다. 이는 초기값을 0으로 주어 구현할 수 있습니다.
sem_t s;
void *child(void *arg){
printf("child\n");
sem_post(&m);
return NULL;
}
int main(int argc, char *argv[]){
int X = 0
sem_init(&s, 0, X); // X의 값이 0이면 조건 변수로 사용할 수 있습니다.
printf("parent: begin\n");
pthread_t c;
pthread_create(c, NULL, child, NULL);
sem_wait(&s);
printf("parent: end\n");
return 0;
}
이를 잘 활용을 하게 되면 이전에 문제가 있었던 유한 버퍼 문제를 잘 풀 수 있습니다. 이전에 유한 버퍼 문제를 풀 때에는 락 변수 하나와 조건 변수 2개로 이 문제를 풀었지만 여기서는 세마포어 변수들 만으로 풀 수 있습니다.
int buffer[MAX];
int fill = 0;
int use = 0;
void put(int value){
buffer[fill] = value;
fill = (fill + 1) % MAX;
}
int get(){
int temp = buffer[use];
use = (use + 1) % MAX;
return temp;
}
sem_t empty;
sem_t full;
void *producer(void *arg){
int i;
for(i = 0; i < loops; i++){
sem_wait(&empty);
put(i);
sem_post(&full);
}
}
void *consumer(void *arg){
int i, temp = 0;
while(temp != -1){
sem_wait(&full);
temp = get();
sem_post(&empty);
printf("%d\n", temp);
}
}
int main(int argc, char *argv[]){
// ...
sem_init(&empty, 0, MAX);
sem_init(&fill, 0, 0);
// ...
}
이러한 해결 방법은 버퍼 최댓값이 1인 경우에는 완벽하게 동작하지만 2 이상의 경우에는 경쟁 상태에 들어가므로 과거의 데이터가 덮어씌워지는 문제가 발생할 수 있습니다. 다시 말해, 상호 배제를 고려하지 않은 상태라는 것을 의미합니다. 그렇다면 여기서 임계 구역은 put() 및 get()을 수행하는 부분이 그 대상이 됩니다. 이를 고려해서 수정을 하면 아래와 같이 하게됩니다.
sem_t empty; // cond_t empty
sem_t full; // cond_t full
sem_t mutex; // mutex_t mutex
void *producer(void *arg){
int i;
for(i = 0; i < loops; i++){
sem_wait(&mutex); // pthread_mutex_lock(&mutex);
sem_wait(&empty); // pthread_cond_wait(&empty, &mutex);
put(i);
sem_post(&full); // pthread_cond_signal(&full);
sem_post(&mutex); // pthread_mutex_lock(&mutex);
}
}
void *consumer(void *arg){
int i;
for(i = 0; i < loops; i++){
sem_wait(&mutex);
sem_wait(&empty);
int temp = get(i);
sem_post(&full);
sem_post(&mutex);
printf("%d\n", temp);
}
}
int main(int argc, char *argv[]){
// ...
sem_init(&empty, 0, MAX);
sem_init(&fill, 0, 0);
sem_init(&mutex, 0, 1);
// ...
}
하지만 이 방법은 답이 될 수 없습니다. 왜냐하면 만약 소비자(consumer)가 mutex를 획득을 하고, sem_wait()를 세마포어가 가득찬 상태에서 진행한다고 가정하겠습니다. 그 후에 소비자가 대기 상태에 들어가고 CPU에 의해 생산자(producer)가 깨어나게 됩니다. 하지만 앞에서 소비자가 mutex를 가지고 있기 때문에 생산자는 sem_wait() 상태에 들어가게 됩니다. 이러면 소비자가 다시 시간이 지나 깨어난다고 해도 empty 세마포어가 조건을 만족하지 못하므로 대기 상태에 들어가게 됩니다. 그렇게 되면 교착상태에 걸리게 됩니다. 이것의 해결 방법은 그냥 락과 조건 변수의 위치를 서로 반대로 해주면 바로 해결됩니다. 이는 아래와 같이 각 내용을 변경을 하면 됩니다.
sem_wait(&empty);
sem_wait(&mutex);
// Critical Section
sem_post(&mutex);
sem_post(&full)