Spinlocks vs. Mutexes: When to Spin and When to Sleep

同期プリミティブ ― スピンする時とスリープする時

perf top

pthread_mutex_lock

これが 同期プリミティブの罠 だ。多くのエンジニアは、各プリミティブが実際にどんな場面で意味を持つかを説明されないまま飛び込むので起こる現象である。

実際に何が起きているか

LOCK CMPXCHG

futex(FUTEX_WAIT)

futex(FUTEX_WAKE)

なぜスピンロックは危険なのか

alignas(64)

__attribute__((aligned(64)))

適切なプリミティブを選ぶ

実践的診断

1. perf stat -e context-switches,cache-misses

   
   高いコンテキストスイッチ＋低 CPU → ミューテックスのオーバーヘッド。
   高いキャッシュミス＋100 % CPU → ロック競合 / 偽共有。

2. strace -c

   – システムコールをカウント。
   すべての

   futex()

   がコンテスト中のミューテックスを示す。

3. /proc/PID/status

   – 自発的 vs 非自発的コンテキストスイッチを確認。
   スピンロック保持時に非自発的スイッチがあると警告。

サンプルプログラム

以下は、先ほど説明した挙動を示す 2 つの最小限のテストプログラムです。
コンパイル方法:

gcc -Wall -Wextra -O2 -pthread spinlock_test.c -o spinlock_test
gcc -Wall -Wextra -O2 -pthread mutex_test.c -o mutex_test

spinlock_test.c

#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdatomic.h>
#include <time.h>

#define NUM_THREADS 4
#define ITERATIONS 1000000

typedef struct {
    atomic_int lock;
    long counter;
} spinlock_t;

static inline void spinlock_acquire(spinlock_t *s) {
    int expected = 0;
    while (!atomic_compare_exchange_weak(&s->lock, &expected, 1))
        expected = 0;          // 再試行
}

static inline void spinlock_release(spinlock_t *s) {
    atomic_store_explicit(&s->lock, 0, memory_order_release);
}

void *worker(void *arg) {
    spinlock_t *s = (spinlock_t *)arg;
    for (long i = 0; i < ITERATIONS; ++i) {
        spinlock_acquire(s);
        s->counter++;
        /* ~100 ns の作業をシミュレート */
        for (volatile int j = 0; j < 10; ++j);
        spinlock_release(s);
    }
    return NULL;
}

int main(void) {
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    spinlock_t lock = { .lock = ATOMIC_VAR_INIT(0), .counter = 0 };
    struct timespec start, end;

    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start);
    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i)
        pthread_create(&threads[i], NULL, worker, &lock);

    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i)
        pthread_join(threads[i], NULL);
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &end);

    double elapsed = (end.tv_sec - start.tv_sec) +
                     (end.tv_nsec - start.tv_nsec) / 1e9;

    printf("SPINLOCK Results:\n");
    printf("  Final counter: %ld\n", lock.counter);
    printf("  Time: %.3f seconds\n", elapsed);
    printf("  Ops/sec: %.0f\n",
           (double)(NUM_THREADS * ITERATIONS) / elapsed);
    printf("  CPU usage: 100%% (busy‑waiting)\n");
    return 0;
}

mutex_test.c

#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <time.h>

#define NUM_THREADS 4
#define ITERATIONS 1000000

typedef struct {
    pthread_mutex_t mutex;
    long counter;
} mutex_lock_t;

void *worker(void *arg) {
    mutex_lock_t *m = (mutex_lock_t *)arg;
    for (long i = 0; i < ITERATIONS; ++i) {
        pthread_mutex_lock(&m->mutex);
        m->counter++;
        /* ~100 ns の作業をシミュレート */
        for (volatile int j = 0; j < 10; ++j);
        pthread_mutex_unlock(&m->mutex);
    }
    return NULL;
}

int main(void) {
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    mutex_lock_t lock = { .mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, .counter = 0 };
    struct timespec start, end;

    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start);
    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i)
        pthread_create(&threads[i], NULL, worker, &lock);

    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i)
        pthread_join(threads[i], NULL);
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &end);

    double elapsed = (end.tv_sec - start.tv_sec) +
                     (end.tv_nsec - start.tv_nsec) / 1e9;

    printf("MUTEX Results:\n");
    printf("  Final counter: %ld\n", lock.counter);
    printf("  Time: %.3f seconds\n", elapsed);
    printf("  Ops/sec: %.0f\n",
           (double)(NUM_THREADS * ITERATIONS) / elapsed);
    printf("  CPU efficient (threads sleep when blocked)\n");
    pthread_mutex_destroy(&lock.mutex);
    return 0;
}

テストの実行

# スピンロック – 100 % CPU が期待される
./spinlock_test &
top -p $(pgrep spinlock_test)

# ミューテックス – 低い CPU 使用率が期待される。スレッドはブロック時にスリープ。
./mutex_test &
top -p $(pgrep mutex_test)

strace -c

strace -c ./spinlock_test   # futex 呼び出しほぼ無し
strace -c ./mutex_test      # thousands of futex(FUTEX_WAIT/WAKE)

/proc/PID/status

perf stat -e cache-misses,cache-references

結論

まず

perf

strace