Q5) What is Semaphore? (Interview Question in OS)

[terry-yes]

Q) '세마포(Semaphore)'에 대해 설명해주세요😯

[joey-ful]

즉석

음... 뭐더라 😖 (노인공격)

[365kim]

즉석
세마포어는 동기화 도구 중 하나입니다.

보충
와 이것도 스터디때 제가 문제냈네요... 새롭... (링크)

세마포어는 동시 에 리소스에 접근 허용이 가능한 개수를 의미하는 정수 변수입니다.
즉, 세마포어 S 값이 0이거나 음수이면 프로세스는 크리티컬 섹션에 진입할 수 없습니다.
세마포어 중 0과 1의 값만 가능해서 'Mutex락'과 유사하게 동작하는 것을 이진 세마포어(binary semaphores)라고 합니다.

[terry-yes]

임계영역을 어떻게 다루나요? - [2020 카카오 인턴 jko님 면접 질문]
Semaphore란? - [보이저 엑스 면접 질문리스트]

🦊 용어 정리

• 임계구역(Critical Section): 다른 프로세스와의 공유 데이터를 접근할 수 있는 프로세스의 코드 부분
• 경쟁상황(Race Condition): 도시에 여러 개의 프로세스가 동일한자료를 접근하여 조작할 때, 그 실행 결과가 접근이 발생한 특정 순서에 의존하는 상황
• 임계구역 문제(Critical Section Problem): 경쟁상황이 일어나지 않게 임계구역을 설계하는 방법을 찾아내는 문제
• 임계구역 문제의 해결 조건:
  • 상호 배제: 하나의 프로세스가 임계 구역에 들어가 있따면 다른 프로세스는 들어갈 수 없어야 한다.
  • 진행(Progress): 임계 구역에 들어간 프로세스가 없는 상태에서, 들어가려고 하는 프로세스가 여러 개 있다면 어느 것이 들어갈지를 적절히 결정해주어야 한다.
  • 한정 대기(Bounded waiting): 다른 프로세스의 기아(Stravation)를 방지하기 위해, 한 번 임계 구역에 들어간 프로세스는 다음 번 임계 구역에 들어갈 때 제한을 두어야 한다.

🦊 세마포

• 임계구역 문제의 해결방안에 대표적으로 뮤텍스, 세마포, 모니터가 있음
• 세마포: 동시에 리소스에 접근 허용이 가능한 개수를 의미하는 정수 변수(from 미혜님 OS문제)
• 세마포는 wait 연산(=P 연산)과 signal 연산(V 연산)으로만 접근할 수 있다.
  • wait, signal 코드 (이해를 돕기위한 코드, 면접에서 언급할 필요는 없을듯)

//wait연산
wait(S) {
	while (S <=0)
		; // busy wait
	S--;
}

// signal연산 
signal(S) {
  S++;
}

• 세마포만큼 프로세스가 동시에 공유데이터에 접근할 수 있다. 프로세스가 한개 접근할 때마다 세마포는 1씩 줄어든다.

  • 세마포가 0이된 이후에 접근을 시도하던 프로세스A는 바쁜 대기를 하게되고 Critical Section에서 프로그램을 수행중이던 프로세스B는 작업을 마치고 세마포를 반납하게된다. 비로소 이때 프로세스A는 공유데이터에 접근할 수 있다.

• 세마포의 종류

  • 이진 세마포: 0,1로 이루어진 세마포, 공유데이터에 한번에 하나의 프로세스만 접근가능(뮤텍스와 비슷함)
  • 카운팅 세마포: 접근하는 프로세스 갯수 제한이 없는 세마포(임의의 양의 정수)

• 세마포의 한계

  • 2개 이상의 프로세스가 동시에 Critical Section에 진입할 수 있으므로 상호 배제를 보장할 수 없음

  • 우선순위가 높은 프로세스가 바쁜대기를 하다가 우선순위가 낮은 프로세스가 먼저 Critical Section에 도달하는 우선순위 역전(Priority Inversion)이 일어날 수 있다.

  • 프로그래머가 코드로 직접 구현하기 복잡하다. (데드락이 생기지 않게 wait연산과 siganl연산의 순서를 잘 고려해야한다.)

🐳 보너스 문제

임계구역 문제를 해결하는 방법으로 모니터도 있습니다. 세마포에 비해 모니터에 장점이 무엇일까요?

[terry-yes]

• 모니터: critical section을 한번에 한 프로세스만 접근할 수 있게 하는 추상자료형(abastract data type)입니다.

//형태
Monitor monitor-name
{
 // 지역변수 선언
 Public entry p1(…){}
 Public entry p2(…){}
}

모니터는 락의 획득과 해제과정(세마포에서의 wait과 signal연산)에 대해 프로그래머가 고려하지 않아도 됩니다.

보통 객체지향언어(Java 등)에서 언어차원에서 지원하는 기능이기에 (데드락이 걸리지않게 잘 짜야하는) 세마포에 비해 구현이 쉽지만 세마포만큼 빠르다는 장점이 있습니다.