semaphore・とは？初心者でも分かる基本解説と仕組みの理解共起語・同意語・対義語も併せて解説！

この記事を書いた人

高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

semaphore・とは？

semaphoreは、複数の処理が同時に同じ資源を使わないように調整するための「同期プリミティブ」と呼ばれるしくみです。主にオペレーティングシステムやプログラミング言語のスレッド間で使われます。資源を利用できるチケットのようなものを管理し、同時利用を制限します。

想像しやすい例えとして、図書館の貸出カウンターを思い浮かべてください。窓口には限られたカウンターがあり、同時に利用できる本の冊数を決める票が semaphore の役割を果たします。鍵を持つ人が現れれば、鍵を使って資源を確保し、用が済んだら返します。これによって、混雑を避けつつ安全に資源を分配できます。

仕組みの基本

セマフォは主に Wait（待機、P操作） と Signal（通知、V操作） の二つの操作で動きます。Wait は資源が使える状態でなければ処理を待たせ、使える状態になれば1枚のチケットを取り出します。Signal は資源を解放して待っている処理に「使えるよ」と知らせ、待機中の処理が進みます。

種類

<th>種類

説明
Binary semaphore	値は0または1。資源の占有状態を表す。
Counting semaphore	非負の整数値を取り、複数の資源を同時に管理する。

使われる場面と注意点

並列処理で共有資源を扱うときに有効ですが、設計を間違えると デッドロック や 優先度逆転、長時間の待機などの問題が発生します。これを避けるコツとしては、クリティカルセクションを極力短く保つこと、資源の数を適切に設定すること、Wait と Signal の対応を必ずペアで行うことなどがあります。

実世界の例えと歴史

実世界の例としては、部屋の入り口に置かれた「鍵付きの扉」が semaphore の役割を果たします。鍵の数だけ同時に部屋へ入れる人が決まり、誰かが出ると別の人が入ることができます。セマフォの概念は1960年代の研究者 Edsger W. Dijkstra により広まり、現在では多くのプログラミング言語で標準的に使われています。

簡単な擬似コード例

以下は非常にシンプルな擬似コードの例です。

Semaphore s = new Semaphore(1); // 二値セマフォ

function worker() {

s.wait();

performCriticalSection();

s.signal();

}

まとめ

semaphore は、資源の同時利用を制御するための強力な道具です。適切に使えば安全で安定した並列処理を実現できますが、使い方を誤るとデッドロックの原因になるため、設計とテストを丁寧に行うことが大切です。

Wait / P: 資源を使えるかを確認し、使える場合は1枚のチケットを消費して進む。

Signal / V: 資源を解放し、待っている処理に使える合図を送る。

semaphoreの同意語

セマフォ: 並列処理における資源のアクセスを制御するための同期機構。カウンタを用いて待機と再開を管理します。
信号量: セマフォの日本語名の一つ。資源の同時利用を制限するカウンタを持つ同期機構のことです。
同期機構: 複数の処理の実行タイミングを整えるための仕組みの総称。セマフォはこの同期機構の一種です。
セマフォ機構: セマフォを指す別称。資源アクセスを調整する同期機構を指します。
排他制御: 同時に1つの処理だけが資源を使えるようにする仕組み。セマフォを用いた実装が一般的です。
旗信号: 旗を使って通信・伝達を行う古典的な信号方式。Semaphore の旗信号系の翻訳として用いられることがあります。
信号旗: 海上・軍事で広く使われる旗を用いた信号伝達の総称。セマフォの旗信号と同様の意味で使われます。
鉄道用セマフォ: 鉄道の信号機の一種で、列車の進行を指示します。歴史的にも現代にもセマフォと呼ばれてきました。
信号: 一般的には合図を指す語ですが、セマフォは資源の状態を示す合図として使われる場面が多いです。
旗符号: 旗を用いた符号伝達の一種。セマフォの旗信号と関連する表現です。
同期プリミティブ: 並列処理で用いられる基本的な同期手段の総称。セマフォはその代表的なプリミティブの一つです。
セマフォ機能: 資源の同時利用を制限・管理する機能のこと。セマフォが提供する主要機能の一つです。

semaphoreの対義語・反対語

無信号: 信号や合図が送られていない状態。セマフォを使った信号機構が機能していないことを指します。
信号なし: 通知・合図が発生していない状態。情報伝達が行われていないニュアンス。
静寂: 周囲が信号や情報を伝えていない状態。情報の流れが止まっていることを示します。
沈黙: 合図や通知が全くない状態。やり取りが途切れている状況を表します。
直接通信: セマフォなど中間の信号機構を介さず、直接的に情報を伝える方式を指します。
直接通知: 中継機構を介さず、直接的に通知・伝達を行うこと。
非同期: 同期的な信号待ち・協調を用いない状態。セマフォの同期機構の対比として使われることがあります。
即時実行: 待機なしで即座に処理を進めること。セマフォで待つ動作の反対概念として挙げられることがあります。
直接アクセス: セマフォによって保護された資源へのアクセスを介さず、直接資源へアクセスする状態。

semaphoreの共起語

セマフォ: 並行処理で資源を管理する同期機構。カウント値を用いて待機と通知を繰り返す。代表的な型は計数セマフォと二値セマフォ。
二値セマフォ: 値が0または1のみのセマフォ。主に一度に1つの処理だけが資源へアクセスできるよう排他を実現する。
計数セマフォ: 資源の残数を表す整数値のセマフォ。複数の同時利用を許す場合に使われ、資源が減ると待機、解放で回復する。
P操作: 資源を待って取得する操作。カウントをデクリメントし、0未満になると待機状態となることが多い。
V操作: 資源を解放・通知する操作。カウントをインクリメントして待機中の処理を進ませる。
待機: 資源が利用不可のとき、処理が実行を停止して資源が解放されるのを待つ状態。
同期: 複数の処理を適切な順序で進めるための連携手段。イベント通知や待機・再開を含む。
排他制御: 同時に複数処理が資源へアクセスできないよう制御する仕組み。
クリティカルセクション: 同時に1つの処理だけが実行して良いコード領域。セマフォやロックの対象となる。
デッドロック: 互いに資源を待ち合い、全体の進行が停止してしまう状態。
スレッド: 並行して実行する最小単位。セマフォを使って他の処理と協調させることが多い。
プロセス: プログラムの実行単位。複数のプロセス間でセマフォを用いた同期を行うことがある。
ロック: 資源を独占して他の処理の同時アクセスを防ぐ仕組み。セマフォと同様の排他機能を提供する。
交通信号: 道路交通を制御する信号。semaphore の語源的な比喩として用いられることがある。
信号機: 交通信号を点灯・切替する装置。セマフォの概念と直感的に結びつく名称。
赤信号: 停止を指示する信号色。交通の流れを止める合図。
青信号: 進行を許可する信号色。交通の流れを再開する合図。
黄信号: 注意を促す信号色。減速や警戒を促す合図。
交差点: 道路が交わり、信号機が設置される代表的な場所。

semaphoreの関連用語

セマフォ: 並行処理における資源の同期・排他を実現する仕組み。整数値と待機・起床の動作で、資源の同時利用を制御します。
バイナリセマフォ: 値が0か1だけのセマフォ。1つの資源を同時に1人だけが使えるようにする排他制御に用いられます（ミューテックスに近い動作）。
カウンティングセマフォ: 0以上の任意の整数値を持ち、複数の資源を同時に許可するために使われるセマフォ。初期値によって同時アクセス数を決めます。
P操作: セマフォの値をデクリメントする操作。値が負になると待機状態に入り、資源が解放されるのを待ちます。
V操作: セマフォの値をインクリメントする操作。待機しているプロセスを起床させることがあります。
待機: 資源が利用不可のとき、プロセスがセマフォの値が改善されるまで待つ状態。
起床: 待機しているプロセスを再開させる操作・状態。
臨界区: 共有資源を保護するため、同時に1つのプロセスだけが入れる領域。
排他制御: データの整合性を保つため、同時アクセスを制限する仕組み。
デッドロック: 複数の処理が互いに資源を待ち合い、処理が進まなくなる状態。
競合状態: 複数の処理が同時に資源へアクセスし、結果が不定になる状態。
POSIXセマフォ: POSIX規格に準拠したセマフォAPI。sem_init、sem_wait、sem_post、sem_destroy などを提供。
SystemVセマフォ: 古いUNIX系のSystem V実装のセマフォAPI。
名前付きセマフォ: 名前で識別され、異プロセス間で共有できるセマフォ。
名前なしセマフォ: 名前を持たず、主に同一プロセス間または明示的な共有メカニズムで使われるセマフォ。
ミューテックス: 1つのスレッドだけが資源を使用できるようにする排他機構。セマフォの一種として扱われることが多い。
条件変数: 待機と通知を組み合わせて、スレッド間の同期を実現する機構。通常はミューテックスとセットで使われます。
生産者-消費者問題: 生産者と消費者が資源を共有する代表的な同期問題。セマフォを用いて解くことが多い。
初期値: セマフォ作成時の初期資源数。アクセス制御の基本となる値です。
sem_init: POSIX系の匿名セマフォを初期化する関数。
sem_wait: P操作に相当。資源を取りに行くための待機処理。
sem_post: V操作に相当。資源を返す・待機中のプロセスを起こす処理。
sem_destroy: セマフォを解放・破棄する処理。
ハードウェアセマフォ: ハードウェアレベルで提供されるセマフォ。高い性能の同期を実現します。
鉄道信号機セマフォ: 鉄道で使われた機械式/電気式の信号機。セマフォの歴史的応用例。
旗セマフォ: 旗を用いる視覚信号方式。船舶間の通信などに使われる伝統的な信号方法。