GO_Golangでの軽量同期：スピンロックの実装

スピンロックとは

スピンロックの原理

スピンロックが適しているシナリオ

• ロックの保持時間が非常に短い。

• スレッドの再スケジューリングに関連するコストを最小限に抑えることが重要である。

• マルチコアプロセッサ上では、スレッドは他のコアでスピンできるため、ロックを保持しているスレッドに影響を与えません。

スピンロックの利点と欠点 スピンロックにはいくつかの利点があります：

• ロックの保持時間が短い場合、スピンロックはスレッドのサスペンドとリジュームの必要性を排除し、コンテキストスイッチのオーバーヘッドを削減します。

• ロック競合が少なく、ロックの保持時間が短い場合、スピンロックのパフォーマンスは排他制御よりも優れており、全体的なシステムスループットを向上させます。

• ロック競合が激しい場合、スピンロックはCPUをスピンさせ、多くのリソースを消費し、システムの効率を低下させる可能性があります。

• 長時間ロックを保持すると、スピンロックのパフォーマンスに問題が発生する可能性があります。

• 単一のコアプロセッサでは適していません。なぜなら、スピンがプロセッサ全体を占有する

スピンロックの実装

sequenceDiagram
    participant main as main()
    participant lock as SpinLock
    participant atomic as atomic
    participant runtime as runtime

    main->>lock: NewSpinLock()
    Note over main,lock: スピンロックのインスタンスを作成
    main->>lock: Lock()
    loop スピンロックの取得を試みる
        lock->>atomic: CompareAndSwapUint32()
        alt ロックが取得できない場合
            lock->>runtime: Gosched()
            Note over lock,runtime: CPUの時間を他のゴルーチンに譲る
        end
    end
    Note over main,lock: ロックを取得
    main->>main: クリティカルセクションの実行
    main->>lock: Unlock()
    lock->>atomic: StoreUint32()
    Note over main,lock: ロックを解放

package main

import (
	"runtime"
	"sync/atomic"
	"time"
)

// SpinLockは、uint32を使用して実装されたスピンロックです。
type SpinLock uint32

// Lockは、ロックを取得しようとします。ロックが既に取得されている場合、
// ロックが解放されるまでスピンします。
func (sl *SpinLock) Lock() {
	for !atomic.CompareAndSwapUint32((*uint32)(sl), 0, 1) {
		// CPUを完全に占有しないように、他のゴルーチンに処理を譲ります。
		runtime.Gosched()
	}
}

// Unlockは、ロックを解放します。
func (sl *SpinLock) Unlock() {
	atomic.StoreUint32((*uint32)(sl), 0)
}

// NewSpinLockは、新しいスピンロックを作成して返します。
func NewSpinLock() *SpinLock {
	return new(SpinLock)
}

func main() {
	// 新しいスピンロックを作成
	lock := NewSpinLock()

	// ロックを取得
	lock.Lock()

	// クリティカルセクション（重要な処理）のシミュレーション
	time.Sleep(1 * time.Second)

	// ロックを解放
	lock.Unlock()
}

スピンロックと排他制御を選択する際に考慮すべき要因には以下のものがあります：

• ロックの保持時間：非常に短いロックの保持時間の場合、スピンロックが適している可能性があります。

• ロックの競合レベル：ロックの競合が少ないシナリオでは、スピンロックがより効率的である可能性があります。

• CPUコアの数：マルチコアプロセッサでは、スピンロックはスレッドが他のコアでスピンさせることを可能にし、ロックを保持しているコアに影響を与えません。

• ロックを長

• 単一のコアプロセッサでスピンロックを使用する際には注意が必要です。なぜなら、スピンが他の操作をブロックする可能性があるからです。

• ロックの公平性に注意してください。スピンロックは、スレッドの飢餓（スレッドが永遠にロックを取得できない状態）を引き起こす可能性があります。