Eine Semaphore ist ein Synchronisationsmechanismus, der in der Informatik und Betriebssystemtheorie verwendet wird, um den Zugriff auf gemeinsame Ressourcen in einem parallelen oder verteilten System zu steuern. Semaphoren sind besonders nützlich, um Race Conditions und Deadlocks zu vermeiden.

Typen von Semaphoren:

1. Binäre Semaphore: Auch als "Mutex" (Mutual Exclusion) bekannt, kann nur die Werte 0 und 1 annehmen. Sie dient zur Kontrolle des Zugriffs auf eine Ressource durch genau einen Prozess oder Thread.
2. Zählende Semaphore: Kann einen nicht-negativen ganzzahligen Wert annehmen und erlaubt den Zugriff auf eine bestimmte Anzahl gleichzeitiger Ressourcen.

Funktionsweise:

• Wert der Semaphore: Die Semaphore hat einen Zähler, der die Anzahl der verfügbaren Ressourcen darstellt.
  • Wenn der Zähler größer als null ist, kann ein Prozess die Ressource verwenden, und der Zähler wird dekrementiert.
  • Wenn der Zähler null ist, muss der Prozess warten, bis eine Ressource freigegeben wird.

Operationen:

• wait (P-Operation, Proberen, "to test"):
  • Überprüft, ob der Zähler größer als null ist.
  • Wenn ja, dekrementiert er den Zähler und erlaubt dem Prozess, fortzufahren.
  • Wenn nein, blockiert der Prozess, bis der Zähler größer als null wird.
• signal (V-Operation, Verhogen, "to increment"):
  • Inkrementiert den Zähler.
  • Wenn Prozesse blockiert warten, weckt diese Operation einen der wartenden Prozesse auf, damit er die Ressource nutzen kann.

Beispiel:

Angenommen, wir haben eine Ressource, die von mehreren Threads verwendet werden kann. Eine Semaphore kann diese Ressource schützen:

// PHP-Beispiel zur Verwendung von Semaphoren (pthreads extension erforderlich)

class SemaphoreExample {
    private $semaphore;

    public function __construct($initial) {
        $this->semaphore = sem_get(ftok(__FILE__, 'a'), $initial);
    }

    public function wait() {
        sem_acquire($this->semaphore);
    }

    public function signal() {
        sem_release($this->semaphore);
    }
}

// Hauptprogramm
$sem = new SemaphoreExample(1); // Binäre Semaphore

$sem->wait();  // Kritischen Abschnitt betreten
// Zugriff auf gemeinsame Ressource
$sem->signal();  // Kritischen Abschnitt verlassen

Anwendung:

• Zugriffssteuerung: Kontrollieren des Zugriffs auf gemeinsam genutzte Ressourcen wie Datenbanken, Dateien oder Speicherbereiche.
• Thread-Synchronisation: Sicherstellen, dass bestimmte Abschnitte des Codes nicht gleichzeitig von mehreren Threads ausgeführt werden.
• Erzwingen von Reihenfolgen: Koordinieren der Ausführung von Prozessen oder Threads in einer bestimmten Reihenfolge.

Semaphoren sind ein mächtiges Werkzeug, um die parallele Programmierung sicherer und kontrollierbarer zu machen, indem sie helfen, Synchronisationsprobleme zu lösen.