スピンロック
読み：スピンロック
外語：spin lock
マルチスレッドなどの環境の排他制御において、ロックを獲得するまでスピン(ビジーループ)で待つ方法。
概要
共有メモリー型のマルチプロセッサー環境に適した手法である。
ロックが獲得できるまで単純にループで待ち続け、定期的にロックの獲得試行と確認を実施する。
その間、スレッド(またはタスク)は待機状態となり有益な処理が実行できない。ロックが獲得できないとCPUを無益に占有し続けることになり、ビジーウェイト状態となる。
競合が多数発生するような場合はミューテックスと比較するとCPUパワーを無駄に消費することになり非効率となるが、処理は簡潔で済み、ロックが短期間で済む場合はミューテックスより高速である。
特徴
ミューテックスの場合、システムがリスト管理をして必要な制御をする(ような実装が多い)。スピンロックも実装は様々だが、一般的にはメモリーにロック中かどうかのフラグを用意し、そのフラグを使ってロック制御をする。
従って実装自体はシンプルに済むが、ロックの同時アクセスの可能性を考慮する必要があり、ロック処理に必要な「フラグの読み込み」、「フラグの確認と更新」、「フラグの書き込み」という一連の手順(テスト&セット)全体をアトミックにしなければならない。
さらに、マルチプロセッサーでメモリー内容を同期させるため、メモリーバリアも考慮しなければならない。
手法
x86
x86の場合、データ交換命令xchgはメモリーバリア機能を持っており、複数のCPUコアで実行された場合は相互にバスをロックし、キャッシュを更新する動作を合わせて実行する。
従ってx86/x64アーキテクチャーにおいては、メモリーアクセスの順序保証が必要な場合でも、殆どの場合は明示的なメモリーバリア命令を使わずに済む。
RAM上に確保されたstat_lockをフラグに用い、0か1かで判断する場合の例を以下に示す。
stat_lock:
dd 0
spin_lock:
mov eax, 1
spin_lock_loop:
xchg eax, [stat_lock]
test eax, eax
jnz spin_lock_loop
ret
spin_unlock:
xor eax, eax
xchg eax, [stat_lock]
ret
上のspin_lock処理は、xchg命令でstat_lockの内容をeaxに取得すると同時に、stat_lockに1を代入する。結果のeaxが0なら他に使っている処理はないためそのまま終了するが、0以外なら他が使用中であるので、0になるまでループで処理を繰り返す。
上のspin_unlockはstat_lockに0を代入する処理である。アトミックかどうかだけ考えればxchgではなくmovでも良さそうに見えるが、実は良くない。xchg命令のメモリーバリア機能を使わないと、マルチプロセッサー時に正常に全CPUコアに反映されて見えない現象が生じるからである。
ARM
ARMの場合もx86と基本的に変わらないが、明示的にメモリーバリアーの命令を使用する必要がある。
ARMv7アーキテクチャー以降でも使用可能な手法は次のとおりである。
spin_lock/spin_unlock共に、予めr1にロックフラグに使用するメモリーのアドレスが格納されているものとする。
spin_lock:
mov r0, #1
spin_lock_loop:
ldrex r2, [r1]
cmp r2, #0
wfene
strexeq r2, r0, [r1]
cmpeq r2, #0
bne spin_lock_loop
dmb
bx lr
spin_unlock:
mov r0, #0
dmb
str r0, [r1]
dsb
sev
bx lr
なお、「bx lr」は「mov pc, lr」でもよい。どちらもサブルーチンから戻るための命令である。
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