Симафор — что это?

Симафор — что это? - коротко

Симафор — это механизм синхронизации, ограничивающий количество одновременно работающих потоков или процессов. Он работает на основе счётчика, который уменьшается при захвате ресурса и увеличивается при его освобождении.

Симафор — что это? - развернуто

Семафор — это механизм синхронизации, позволяющий управлять доступом к разделяемым ресурсам в многопоточных и распределённых системах. Принцип его работы основан на счётчике, который хранит целое число, отражающее количество доступных единиц ресурса. При инициализации счётчик задаётся стартовым значением; каждый запрос на захват ресурса уменьшает его, а освобождение – увеличивает. Если значение счётчика достигает нуля, дальнейшие запросы блокируются до тех пор, пока другой поток не освободит ресурс и не увеличит счётчик.

В программировании семафоры применяются для решения нескольких типовых задач:

ограничение количества одновременно работающих потоков, например, при работе с пулом соединений к базе данных;
предотвращение гонок при обращении к общим структурам данных, когда необходимо обеспечить эксклюзивный доступ к критическому участку кода;
координация последовательности выполнения операций, когда один поток должен ждать завершения другого.

Существует два основных вида семафоров:

Бинарный семафор – его счётчик может принимать только два значения (0 и 1). Фактически он реализует взаимное исключение (mutex), позволяя лишь одному потоку владеть ресурсом в любой момент времени.
Счётный семафор – допускает произвольное положительное значение счётчика, тем самым позволяя одновременно использовать ресурс нескольким потокам, но не более заданного предела.

Помимо программных реализаций, семафоры применяются в аппаратных системах. На железнодорожных переездах они представляют собой сигналы, указывающие разрешение или запрет движения поездов. В электронике аналогичные конструкции управляют доступом к шинам и контролируют состояние устройств.

Ключевые свойства семафора:

Атомарность операций – увеличение и уменьшение счётчика происходят как неделимые действия, что исключает возможность возникновения неконсистентных состояний.
Блокирующее ожидание – поток, запросивший ресурс при нулевом счётчике, переводится в состояние ожидания до тех пор, пока ресурс не будет освобождён.
Возможность тайм‑аутов – в некоторых реализациях можно задать максимальное время ожидания, после чего запрос считается неудачным.

Примеры использования в популярных языках программирования:

В Java класс java.util.concurrent.Semaphore предоставляет методы acquire() и release().
В Python модуль threading содержит класс Semaphore с аналогичными методами.
В C++ библиотека <semaphore> (начиная с C++20) предлагает тип std::counting_semaphore.

Таким образом, семафор представляет собой универсальный инструмент, позволяющий контролировать конкурентный доступ к ресурсам, обеспечивая как ограничение количества одновременных пользователей, так и безопасную синхронизацию выполнения операций. Его простая модель счётчика делает возможным гибкую настройку поведения системы под любые требования к параллелизму.