スピンロック (スピンロック) とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

スピンロック (スピンロック) の読み方

日本語表記

スピンロック (スピンロック)

英語表記

Spinlock (スピンロック)

スピンロック (スピンロック) の意味や用語解説

スピンロックは、マルチプロセッサシステムやマルチスレッドプログラミングにおいて、複数の処理単位が共有のリソースへ同時にアクセスすることを防ぐための排他制御機構の一つである。排他制御とは、あるリソースを一度に一つのスレッドやプロセスしか利用できないように制限する仕組みのことであり、データの不整合や破損を防ぐために不可欠である。スピンロックの最大の特徴は、その名前が示す通り、ロックが解放されるのを待つ間に「スピン（spin）」、つまりCPUを消費しながらループ処理を続けて待機する点にある。この待機方法はビジーウェイトとも呼ばれ、他の多くのロック機構とは根本的に異なる振る舞いを示す。 スピンロックの具体的な動作原理を説明する。まず、あるスレッドが共有リソースを保護するクリティカルセクションと呼ばれるコード領域を実行しようとするとき、最初にスピンロックの取得を試みる。これは、特定のメモリ上の変数がロックされているか否かを確認する操作に相当する。もしロックが取得可能であれば、そのスレッドは変数をロック状態に設定し、クリティカルセクションの処理を開始する。処理が完了した後、スレッドは必ずロックを解放し、変数をアンロック状態に戻す。一方、スレッドがロックを取得しようとした際に、既に他のスレッドによってロックが保持されていた場合、スレッドは処理を中断して待機状態に入るのではなく、その場でループを開始する。このループの中で、ロックを管理する変数の状態がアンロックに変わるかを繰り返し、高速にチェックし続ける。そして、ロックが解放されたことを検知した瞬間にループを抜け、ロックを取得して自らの処理を開始する。 このビジーウェイトという待機方法は、ミューテックスのような他の代表的なロック機構と比較すると、その特性がより明確になる。ミューテックスの場合、ロックが取得できなければ、待機するスレッドはOSのスケジューラによってスリープ状態に遷移させられる。スリープ状態のスレッドはCPUリソースを消費しないため、その間にCPUは他のスレッドの処理を実行できる。そして、ロックが解放されると、OSが待機中のスレッドを起床させ、処理を再開させる。このスレッドの状態遷移には、コンテキストスイッチと呼ばれる処理が伴う。コンテキストスイッチは、CPUの実行コンテキスト（レジスタの値など）を保存し、別のスレッドのコンテキストを復元する処理であり、一定のオーバーヘッドを要する。スピンロックは、このコンテキストスイッチを発生させずに待機するため、ロックがごく短時間で解放されることが期待できる状況においては、コンテキストスイッチのコストを回避できるという大きな利点がある。つまり、待機時間がコンテキストスイッチにかかる時間よりも短いのであれば、スピンロックの方がミューテックスよりも高速に動作する。 しかし、スピンロックには重大な欠点も存在する。ロックの保持時間が長くなる可能性がある場合、スピンしているスレッドはその間ずっとCPUを占有し続けるため、CPUリソースの無駄遣いとなる。そのCPUコアは他の有用な処理を実行できず、システム全体のパフォーマンスを低下させる原因となり得る。特に、シングルプロセッサ（シングルコア）システムにおいてスピンロックを使用することは、通常は不適切である。なぜなら、ロックを保持しているスレッドが処理を進めなければロックは解放されないが、ロックを待つスレッドがCPUを占有してスピンしているため、ロックを保持しているスレッドにCPUが割り当てられず、処理が進まないという状況に陥る可能性があるからである。このため、スピンロックは複数のプロセッサ（コア）が同時に並列動作できるマルチプロセッサ環境で利用されるのが基本である。 以上の特性から、スピンロックは特定の用途に特化した排他制御手法と言える。その最適な利用場面は、ロックの競合が発生する頻度が低く、かつロックを保持する期間が極めて短いことが保証されているケースである。例えば、OSのカーネル内部で、割り込みハンドラのようなスリープ状態に入ることが許されない処理や、データ構造のポインタを短時間だけ変更するような処理において、コンテキストスイッチのオーバーヘッドを避けるために多用される。システムエンジニアを目指す上で、スピンロックは単なるロック機構の一つとしてだけでなく、システムのパフォーマンスや動作環境を深く考慮した上で、適切な排他制御方式を選択する重要性を理解するための良い事例である。