C++ Semaphore | "세마포어" 가이드

세마포어란?

카운팅 동기화 도구 (C++20)

#include <semaphore>

// 최대 3개 스레드
std::counting_semaphore<3> sem(3);

void worker() {
    sem.acquire();  // 카운트 감소
    // 작업
    sem.release();  // 카운트 증가
}

counting_semaphore

// 최대 카운트 지정
std::counting_semaphore<10> sem(5);  // 초기값 5

sem.acquire();  // 5 -> 4
sem.release();  // 4 -> 5

binary_semaphore

// 0 또는 1
std::binary_semaphore sem(1);

sem.acquire();  // 1 -> 0
// ...
sem.release();  // 0 -> 1

실전 예시

예시 1: 자원 풀

#include <semaphore>
#include <thread>
#include <vector>

std::counting_semaphore<3> poolSem(3);  // 최대 3개

void worker(int id) {
    poolSem.acquire();
    std::cout << "스레드 " << id << " 시작" << std::endl;
    
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    
    std::cout << "스레드 " << id << " 완료" << std::endl;
    poolSem.release();
}

int main() {
    std::vector<std::thread> threads;
    
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        threads.emplace_back(worker, i);
    }
    
    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }
}

예시 2: Producer-Consumer

std::counting_semaphore<10> empty(10);  // 빈 슬롯
std::counting_semaphore<10> full(0);    // 찬 슬롯
std::mutex mtx;
std::queue<int> buffer;

void producer() {
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        empty.acquire();
        
        {
            std::lock_guard lock(mtx);
            buffer.push(i);
        }
        
        full.release();
    }
}

void consumer() {
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        full.acquire();
        
        int value;
        {
            std::lock_guard lock(mtx);
            value = buffer.front();
            buffer.pop();
        }
        
        empty.release();
        std::cout << value << std::endl;
    }
}

예시 3: 동시 접근 제한

class Database {
    std::counting_semaphore<5> connSem{5};  // 최대 5개 연결
    
public:
    void query() {
        connSem.acquire();
        
        try {
            executeQuery();
        } catch (...) {
            connSem.release();
            throw;
        }
        
        connSem.release();
    }
};

예시 4: 신호 전달

std::binary_semaphore signal(0);

void producer() {
    prepareData();
    signal.release();  // 신호
}

void consumer() {
    signal.acquire();  // 대기
    processData();
}

try_acquire

std::counting_semaphore<3> sem(3);

if (sem.try_acquire()) {
    // 획득 성공
    sem.release();
} else {
    // 획득 실패
}

// 타임아웃
if (sem.try_acquire_for(std::chrono::seconds(1))) {
    // 획득 성공
    sem.release();
}

자주 발생하는 문제

문제 1: release 누락

// ❌ release 누락
sem.acquire();
process();
// sem.release();  // 누락

// ✅ RAII 래퍼
class SemaphoreGuard {
    std::counting_semaphore<>& sem;
public:
    SemaphoreGuard(std::counting_semaphore<>& s) : sem(s) {
        sem.acquire();
    }
    ~SemaphoreGuard() {
        sem.release();
    }
};

문제 2: 초기값

// ❌ 초기값 0
std::counting_semaphore<10> sem(0);
sem.acquire();  // 영원히 대기

// ✅ 적절한 초기값
std::counting_semaphore<10> sem(10);

문제 3: 데드락

std::counting_semaphore<1> sem1(1);
std::counting_semaphore<1> sem2(1);

// Thread 1
sem1.acquire();
sem2.acquire();  // 데드락 가능

// Thread 2
sem2.acquire();
sem1.acquire();

문제 4: 예외 안전성

sem.acquire();
try {
    process();
} catch (...) {
    sem.release();  // 필수
    throw;
}
sem.release();

mutex vs semaphore

// mutex: 소유권 있음
std::mutex mtx;
mtx.lock();
mtx.unlock();  // 같은 스레드

// semaphore: 소유권 없음
std::counting_semaphore<1> sem(1);
sem.acquire();  // 스레드 A
sem.release();  // 스레드 B (OK)

세마포어 vs 뮤텍스 (언제 무엇을 쓰나)

• 뮤텍스는 보통 상호 배제(mutual exclusion) 와 소유권 모델입니다. 같은 스레드가 lock한 뮤텍스를 다른 스레드가 unlock하면 정의되지 않은 동작(UB) 에 가깝습니다(구현에 따라 검사).
• 세마포어는 카운터입니다. acquire로 하나 빼고, release로 하나 더합니다. 어느 스레드가 release해도 대기 중인 다른 스레드가 깨어날 수 있어, “풀에서 자리 반납” 같은 모델에 잘 맞습니다.

직관: 뮤텍스는 “화장실 한 칸(한 번에 한 명, 들어간 사람만 나올 수 있음)”에 가깝고, 세마포어는 “주차장 빈 칸 N개”에 가깝습니다.

중요: 카운트가 1인 세마포어(바이너리)와 뮤텍스는 겉보기 비슷하지만, 소유권·재진입 규칙·조건 변수와의 관습적 조합이 다릅니다. 공유 데이터를 보호하는 기본 도구는 여전히 뮤텍스 + RAII 락이고, 세마포어는 동시 실행 개수·슬롯 수를 제한하는 쪽에 강합니다.

counting_semaphore vs binary_semaphore

• std::counting_semaphore<LeastMax>: 템플릿 인자 LeastMax는 최대치의 하한입니다. 구현은 그 이상을 허용할 수 있지만, 최소한 LeastMax까지는 지원합니다. 초기값은 생성자로 주며, 현재 카운트는 max() 이하로 유지됩니다.
• **std::binary_semaphore**는 counting_semaphore<1>에 대한 별칭으로 생각하면 됩니다. 0 또는 1만 표현하므로, 이벤트 시그널링(“준비됨”)이나 단일 슬롯 같은 패턴에 씁니다.

std::binary_semaphore ready{0};  // 아직 준비 안 됨

// 생산자
data = produce();
ready.release();  // 0 -> 1, 대기자 깨움

// 소비자
ready.acquire();  // 1 -> 0 이 될 때까지 대기
consume(data);

생산자-소비자 패턴 (세마포어 관점)

앞의 예시처럼 빈 슬롯(empty) 과 찬 슬롯(full) 을 세마포어로 세고, 큐 자체는 mutex로 보호하는 전형적인 구조입니다.

• empty 초기값 = 버퍼 크기, full 초기값 = 0.
• 생산자: empty.acquire() → 큐에 push → full.release()
• 소비자: full.acquire() → 큐에서 pop → empty.release()

주의: 버퍼가 한 칸이면 생산자·소비자가 동시에 접근할 때 여전히 데이터 레이스가 나지 않도록 큐 연산은 반드시 뮤텍스 안에서 하세요. 세마포어는 “몇 개의 아이템이 있는가”만 세 줄 뿐, 메모리 일관성은 뮤텍스가 담당합니다.

리소스 풀 관리 (연결 풀·워커 슬롯)

counting_semaphore<N>(N) 패턴은 최대 N개의 동시 사용자를 허용합니다. DB 커넥션 풀처럼 실제 객체는 풀 안에 고정해 두고, 세마포어는 “꺼내 쓸 수 있는 권한”만 나눠 줍니다.

std::counting_semaphore<8> db_slots{8};

void handle_request() {
    db_slots.acquire();
    try {
        run_query();
    } catch (...) {
        db_slots.release();
        throw;
    }
    db_slots.release();
}

예외 안전을 위해 RAII 래퍼(앞서 나온 SemaphoreGuard)를 두면 release 누락을 줄일 수 있습니다.

C++20 표준 세마포어가 제공하는 것

• <semaphore> 헤더, std::counting_semaphore, std::binary_semaphore.
• acquire, release (인자로 한 번에 여러 카운트 증가 가능), try_acquire, try_acquire_for, try_acquire_until.
• 기본 생성은 없음 — 반드시 초기 카운트를 넘겨야 합니다.
• 복사·이동 불가 — 세마포어 객체는 스레드 간 공유용으로 두고, 여러 스레드가 같은 객체에 acquire/release합니다.

표준이 아닌 플랫폼 API( POSIX 세마포어 등)를 쓰던 코드를 이식성 있게 옮길 때 C++20 세마포어가 유용합니다.

FAQ

Q1: latch vs barrier?

A:

• latch: 한 번만
• barrier: 재사용

Q2: 언제 사용?

A:

• 자원 풀
• Producer-Consumer
• 동시 접근 제한

Q3: mutex와 차이?

A:

• mutex: 소유권
• semaphore: 카운팅

Q4: 성능?

A: 가볍고 빠름.

Q5: C++20 필수?

A: 네.

Q6: 세마포어 학습 리소스는?

A:

• “C++20 The Complete Guide”
• “Operating System Concepts”
• cppreference.com

---

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