🌟 سمافور (Semaphore) چیست؟ کنترل هوشمند منابع در برنامه نویسی! 🚦

اگر با مفاهیم برنامه نویسی همزمانی سروکار دارید، حتما نام سمافور به گوشتان خورده است! سمافور یکی از ابزارهای کلیدی برای مدیریت دسترسی به منابع مشترک در محیط های چندنخی و چندپردازندهای است. در این مقاله، به زبان ساده، با سمافور، کاربردها و نحوه استفاده از آن آشنا میشویم.

🔍 سمافور از کجا آمد؟

سمافور اولینبار توسط ادسخر دایجکسترا، دانشمند مشهور علوم کامپیوتر، در سال ۱۹۶۵ معرفی شد. هدف او حل مشکل Race Condition (رقابت برای دسترسی به منابع) در سیستم های همزمان بود. سمافور با شمارنده و مکانیسم انتظار/آگاهسازی، دسترسی ایمن به منابع را ممکن کرد.

⚙️ ساختار سمافور: شمارنده + صف انتظار

سمافور از دو بخش اصلی تشکیل شده است:

1. یک متغیر شمارنده (Counter): تعداد منابع آزاد یا مجوزهای موجود را نشان میدهد.

2. یک صف انتظار (Queue): برای نگهداری نخها/پردازندههایی که منتظر آزادشدن منابع هستند.

سمافور دو عمل اصلی دارد:

• Wait() (یا P): اگر شمارنده بزرگتر از صفر باشد، آن را کاهش میدهد. در غیر این صورت، نخ را در صف انتظار قرار میدهد.

• Signal() (یا V): شمارنده را افزایش میدهد و اگر نخهای منتظری وجود دارد، یکی را بیدار میکند.

🛠️ سمافور باینری vs سمافور شمارشی

• سمافور باینری (Binary Semaphore):

  • شمارنده فقط ۰ یا ۱ است.

  • برای کنترل دسترسی به یک منبع واحد (مثل یک فایل) استفاده میشود. 🔒

• سمافور شمارشی (Counting Semaphore):

  • شمارنده میتواند هر مقدار مثبتی باشد.

  • برای مدیریت چندین نمونه از یک منبع (مثل ۵ اتصال دیتابیس) کاربرد دارد. 🗃️

💡 تفاوت سمافور و موتورکس (Mutex)

• موتورکس فقط اجازه میدهد یک نخ در هر لحظه به منبع دسترسی داشته باشد.

• سمافور انعطافپذیرتر است و با شمارنده، امکان دسترسی چندین نخ را فراهم میکند.

• موتورکس معمولاً برای همگامسازی، سمافور برای مدیریت منابع استفاده میشود.

📝 مثال کد ساده با سمافور در پایتون

python

import threading

# ایجاد سمافور با ۳ مجوز
semaphore = threading.Semaphore(3)

def access_resource(thread_id):
    semaphore.acquire()  # Wait()
    print(f"Thread {thread_id} به منبع دسترسی دارد! 🚀")
    # انجام عملیات روی منبع
    semaphore.release()  # Signal()

threads = []
for i in range(5):
    t = threading.Thread(target=access_resource, args=(i,))
    threads.append(t)
    t.start()

for t in threads:
    t.join()

در این مثال، فقط ۳ نخ همزمان به منبع دسترسی دارند و بقیه منتظر میمانند!

🚀 کاربردهای سمافور در دنیای واقعی

• سیستمهای عامل: مدیریت دسترسی به CPU، حافظه، یا دستگاههای I/O.

• پایگاههای داده: محدودکردن تعداد اتصالهای همزمان.

• شبکه: کنترل ترافیک و جلوگیری از overload سرور.

✅ جمع بندی

سمافور ابزاری قدرتمند برای حل مشکلات همزمانی و جلوگیری از Race Condition است. چه در حال توسعه یک برنامه چندنخی باشید یا یادگیری مفاهیم سیستمهای عامل، درک سمافور یک مهارت ضروری است! 💻🔒

امیدواریم این مقاله برای شما مفید بوده باشد. اگر سوالی دارید، در بخش نظرات با ما در میان بگذارید. 😊