Spinlock

📌 Spinlock

Spinlock — простой механизм синхронизации, используемый в многопоточных и мультипроцессорных системах для защиты разделяемых ресурсов. При попытке захватить спинлок поток (или процессор) повторно проверяет доступность блокировки в цикле ожидания (spin), не переходя в состояние сна. Такой подход эффективен для коротких критических секций и в системах с высокой конкуренцией за ресурсы, где переключение контекста дорогостоящо.

---

🧠 Как работает

Механизм работы

• Попытка захвата: поток пытается установить значение флага блокировки (например, atomic test-and-set или compare-and-swap).
• Циклическое ожидание: если блокировка занята, поток входит в цикл проверки, повторяя попытки захвата (спин).
• Освобождение: владелец блокировки снимает флаг, позволяя другим потокам захватить спинлок.
• Преимущества: нет расходов на переключение контекста, задержка минимальна при коротких критических секциях.
• Недостатки: потеря процессорного времени при длительном ожидании (busy-wait).

Блок-схема

flowchart TB
    CPU["CPU / Thread"]
    Spinlock["Spinlock (atomic_flag)"]
    Memory["Shared Memory / Resource"]

    CPU -->|Попытка захвата| Spinlock
    Spinlock -- Busy wait --> CPU
    Spinlock -->|Доступ разрешён| Memory
    CPU -->|Выполнение критической секции| Memory
    CPU -->|Освобождение| Spinlock

    style Spinlock stroke:#fff,stroke-width:5px,font-weight:bold

Ключевые операции

• lock(spinlock) — попытка захватить блокировку, зацикливаясь, пока она не станет свободна.
• unlock(spinlock) — освобождение блокировки.
• Atomic primitives — тест и установка значения, важна атомарность для предотвращения гонок.

---

Пример алгоритма (псевдокод)

function lock(spinlock):
    while atomic_test_and_set(spinlock) == LOCKED:
        ; // активно ждем (spin)
 
function unlock(spinlock):
    atomic_clear(spinlock)

---

Важные детали

• Атомарность: операции захвата и освобождения должны быть атомарными.

• Преимущество для SMP: хорошо работает на системах с несколькими процессорами.

• Проблема приоритетов: возможна проблема “голодания” (starvation).

• Использование в ОС: ядро Linux активно применяет спинлоки для синхронизации в SMP.

• Управление кэшами: современные реализации оптимизируют спинлок с помощью инструкций паузы (pause/yield), уменьшая нагрузку на кэш.

---

⚙️ Где применяется

• Синхронизация в ядре операционных систем.

• В системах реального времени с минимальной задержкой.

• Высокопроизводительные параллельные вычисления.

• Управление разделяемыми ресурсами в многопоточных приложениях.

• Встраиваемые и низкоуровневые системы с ограниченной поддержкой планировщика.

---

✅ Преимущества

• Минимальные накладные расходы при кратких критических секциях.

• Простота реализации.

• Хорошая производительность на SMP-системах.

• Не требует переключения контекста.

• Позволяет реализовать быстрые блокировки в ядре ОС.

---

❌ Недостатки

• Потеря процессорного времени при длительном ожидании.

• Неэффективен на однопроцессорных системах.

• Возможность “голодания” потоков.

• Высокое энергопотребление из-за активного ожидания.

• Требует осторожного использования для предотвращения дедлоков.

---

🔗 Связанные технологии

Mutex, Semaphore, Atomic Operation, Lock-Free, Barrier, SMP, Preemption, RTOS, Linux Kernel Synchronization, Futex

---

Резюме

Spinlock — базовый механизм блокировки с активным ожиданием, применяемый для защиты кратковременных критических секций в многопроцессорных системах. Обеспечивает низкие накладные расходы и простоту, но не подходит для длительного ожидания, поскольку блокирует процессор активным циклом. Ключевой элемент синхронизации в ядрах ОС и системах с высокой степенью параллелизма.

---

Примеры кода

C: простой спинлок на atomic_flag (C11)

#include <stdatomic.h>
 
typedef struct {
    atomic_flag flag;
} spinlock_t;
 
void spinlock_init(spinlock_t *lock) {
    atomic_flag_clear(&lock->flag);
}
 
void spinlock_lock(spinlock_t *lock) {
    while (atomic_flag_test_and_set_explicit(&lock->flag, memory_order_acquire)) {
        // active wait (spin)
    }
}
 
void spinlock_unlock(spinlock_t *lock) {
    atomic_flag_clear_explicit(&lock->flag, memory_order_release);
}

C++: использование std::atomic_flag

#include <atomic>
 
class SpinLock {
    std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT;
public:
    void lock() {
        while(flag.test_and_set(std::memory_order_acquire)) {
            // spin
        }
    }
    void unlock() {
        flag.clear(std::memory_order_release);
    }
};

Ассемблер x86: инструкция LOCK CMPXCHG для захвата спинлока

spin_lock:
    mov eax, 0          ; ожидаемое значение (0 - свободно)
try_lock:
    mov ebx, 1          ; значение блокировки (1 - занято)
    lock cmpxchg [lock_var], ebx
    jne try_lock        ; если не удалось захватить — повторить
    ret

---

Источники:
Linux Kernel Documentation, Intel x86 Architectures Manuals, C11 standard, C++11 std::atomic, OSDev.org, Wikipedia, “Operating Systems: Three Easy Pieces” by Remzi & Andrea Arpaci-Dusseau.