Semaphore（セマフォ）

2025年11月16日

Semaphore（セマフォ）

英語表記: Semaphore

概要

セマフォは、「並行・並列処理（マルチスレッド, GPU並列）」の分野における「同期原語」の一つであり、複数のスレッドが共有リソースへアクセスする際の同時実行数を制御するために使用される仕組みです。特に「スレッドプログラミング」において、複数の処理が同時に動く際に発生しがちな競合状態（レースコンディション）を防ぎ、システム全体の一貫性と安全性を保つ役割を果たします。単なる排他制御（1つだけ許可）だけでなく、特定の数のリソース（N個まで許可）を管理できる点が大きな特徴となっています。

詳細解説

セマフォの主な役割は、共有リソースへのアクセスを許可するスレッドの数を厳密に管理することです。これは、私たちが今学んでいる「並行・並列処理」の文脈、特にマルチスレッド環境における安全性を確保するために不可欠な概念です。

目的と動作原理

セマフォの核となるのは、利用可能なリソースの数を表す「カウンタ（整数値）」です。

1. リソースの利用可能性の管理
セマフォは、データベース接続、ファイルハンドル、バッファ領域など、有限なリソースを複数のスレッドが共有する場合に利用されます。スレッドがリソースを利用したいとき、このカウンタの値を確認し、操作を行います。

2. 主要な操作
セマフォには、主に「P操作」と「V操作」という2種類の原子的な操作があります。これらの操作は、オランダ語のProberen（試みる）とVerhogen（増やす）に由来しており、資格試験でも頻出の用語ですので、ぜひ覚えておきましょう。

P操作 (Wait / Down):
スレッドがリソースの使用を試みるときに行う操作です。カウンタが1以上（リソースが利用可能）であれば、カウンタを1減らし、リソースの使用を許可します。もしカウンタが0（リソースが全て使用中）であれば、そのスレッドは待機キューに入れられ、リソースが解放されるまでブロックされます。
V操作 (Signal / Up):
スレッドがリソースの使用を終えたときに行う操作です。カウンタを1増やし、リソースが解放されたことをシステムに通知します。待機キューにスレッドが存在する場合、そのうちの一つを起床（アンブロック）させ、リソースの使用を許可します。

カウンティングセマフォとバイナリセマフォ

セマフォは、管理するリソースの数によって二種類に分類されます。

カウンティングセマフォ (Counting Semaphore):
カウンタが任意の整数値（N > 1）を取ることができるセマフォです。これは、N個のデータベース接続や、N個の印刷ジョブなど、複数の同一リソースを管理する際に最適です。「並行・並列処理」におけるスループットを最大化しつつ、リソースの過剰利用を防ぐために非常に重要な役割を果たします。
バイナリセマフォ (Binary Semaphore):
カウンタが0または1の値しか取れないセマフォです。これは実質的に「排他制御」専用となります。カウンタが1のときだけアクセスを許可し、アクセス中は0になるため、同時にアクセスできるスレッドは常に1つだけです。この機能だけを特化させたものが「ミューテックス（Mutex）」として知られています。セマフォはミューテックスの上位概念とも言えるでしょう。

なぜ「同期原語」なのか

セマフォは、「スレッドプログラミング」における「同期原語」に分類されます。同期原語とは、複数の独立したスレッドの処理速度を調整し、特定の処理順序や排他性を保証するための基本的なツールキットのことです。セマフォを用いることで、リソースの利用と解放のタイミングを厳密に同期させ、データ破壊やシステムクラッシュといった深刻な問題を防ぐことができるのです。

具体例・活用シーン

セマフォの動作を理解するために、身近な例を用いて考えてみましょう。

アナロジー：遊園地の人気アトラクション

セマフォは、遊園地の非常に人気のあるアトラクションの「定員管理システム」に似ています。

想像してみてください。あるジェットコースターは安全上の理由から、同時に10組の家族（スレッド）しか搭乗できないとします。ここでセマフォのカウンタは初期値「10」で設定されます。

P操作（リソースの要求）:
家族Aが搭乗ゲートに到着しました。システムはカウンタを確認し、「10」なので家族Aを許可し、カウンタを「9」に減らします。次々と家族が来て、カウンタが「0」になりました。
このとき、家族Kが到着しましたが、カウンタは0です。家族Kはジェットコースターの入り口横にある「待機キュー（待ち行列）」に並ばされます（ブロック状態）。
V操作（リソースの解放）:
アトラクションが終了し、最初の10組の家族が降車しました（リソースの解放）。システムはV操作を実行し、カウンタを「1」増やします。
同時に、待機キューに並んでいた家族Kを自動的に次の搭乗者として選び出し、搭乗を許可します（アンブロック）。そして、カウンタは再び「0」に戻ります。

このように、セマフォはアトラクションの定員（有限リソース）を常に監視し、定員オーバーによる混乱や事故（競合状態）を防ぎながら、待ち行列の家族を効率よく処理する（スレッドの実行を再開する）役割を果たしているのです。

実際のシステムでの活用シーン

データベース接続プール:
Webアプリケーションでは、データベースへの接続は非常に高コストなリソースです。接続数を限定（例：最大20接続）したい場合に、カウンティングセマフォを使用します。これにより、アクセスが集中してもDBサーバーが過負荷でダウンするのを防ぎ、システムの安定性を保ちます。
バッファ管理 (生産者・消費者問題):
データを生成するスレッド（生産者）と、そのデータを処理するスレッド（消費者）が共有バッファを使う場合、セマフォはバッファの空き容量とデータ存在量を管理するために利用されます。これは、スレッドプログラミングの古典的な課題を解決する非常に重要な応用例です。

資格試験向けチェックポイント

セマフォは、基本情報技術者試験や応用情報技術者試験の午後問題、そしてITパスポート試験の用語定義でも出題される重要な概念です。特に「並行処理」の分野では、ミューテックスとの違いを問われることが多いです。

P操作とV操作の名称と役割:
P操作が「リソース要求・カウントダウン」、V操作が「リソース解放・カウントアップ」であることを必ず理解しておきましょう。特にP操作でリソースがない場合に「待機（ブロック）」が発生し、V操作で「解除（アンブロック）」が発生する流れが問われます。
ミューテックスとの区別:
セマフォは「複数のリソース数（N個）」を管理できるのに対し、ミューテックスは「排他制御（1個）」に特化している点が決定的な違いです。バイナリセマフォとミューテックスは機能が似ていますが、ミューテックスには「所有権」の概念があり、ロックしたスレッドしか解放できない（セマフォはどのスレッドでも解放可能）という違いも、上級試験では問われることがあります。
デッドロックとの関連性:
セマフォを不適切に使用すると、デッドロック（複数のスレッドがお互いの解放を待ち続け、永遠に処理が進まなくなる状態）を引き起こす可能性があります。P操作を何度も実行しすぎたり、V操作を忘れたりしないように、正しい同期設計が求められる点も知識として重要です。
タクソノミの理解:
セマフォが「同期原語」であり、マルチスレッド環境におけるリソース管理のための根幹技術であることを理解しておくと、出題意図を深く把握できます。