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Modern Embedded Recipes · 107/152

Spinlock vs Mutex 결정 가이드 — Context Switch·Hold Time

· Hawk · 4분 읽기

#한 줄 요약

“Hold time이 µs 단위면 spinlock, ms 단위면 mutex.” SMP가 아니면 spinlock은 거의 의미가 없습니다.

#어떤 상황에서 쓰나

Linux kernel처럼 ISR과 process context, multi-CPU가 섞인 환경에서 둘을 매번 골라야 합니다. driver의 짧은 register update는 spinlock, file I/O 같은 긴 작업은 mutex가 답입니다.

사용자 공간 multi-thread 응용에서도 같은 결정이 나옵니다. ms 단위 작업에 spinlock을 쓰면 CPU가 burn되고, ns 단위 작업에 mutex를 쓰면 context switch 비용이 작업 자체보다 큽니다.

#핵심 개념

mutex (sleep lock)
contention 시 caller가 sleep → context switch
hold time이 길수록 유리
ISR에서 사용 금지
spinlock (busy lock)
contention 시 caller가 busy wait
hold time이 매우 짧을 때만 유리
ISR과 process context 모두 사용 가능
Linux: spin_lock_irqsave가 IRQ까지 disable

판단 기준입니다.

hold time권장
< 1 µs (수십 cycle)spinlock 또는 atomic
1~10 µsspinlock (SMP) / mutex (UP)
> 10 µsmutex
ISR context반드시 spinlock(_irqsave)
single-CPUspinlock의 의미 없음 (preempt_disable로 대체)

advanced spinlock variants도 있습니다.

ticket lockFIFO 보장 — fairness
MCS lock각 CPU가 자기 cache line에서 spin — 확장성
qspinlockLinux의 표준 — 짧은 contention은 ticket, 긴 건 MCS

#코드 / 실제 사용 예

#Linux kernel spinlock

DEFINE_SPINLOCK(my_lock);
/* process context */
spin_lock(&my_lock);
critical_section();
spin_unlock(&my_lock);
/* process + ISR 둘 다 접근 가능한 자원 */
spin_lock_irqsave(&my_lock, flags);
critical_section();
spin_unlock_irqrestore(&my_lock, flags);

spin_lock은 preemption만 disable, spin_lock_irqsave는 IRQ까지 disable합니다. ISR과 race가 가능한 자원이면 후자가 필수입니다.

#Linux kernel mutex

DEFINE_MUTEX(my_mtx);
mutex_lock(&my_mtx);
file_io();
mutex_unlock(&my_mtx);
/* timeout */
if (mutex_lock_interruptible(&my_mtx)) return -ERESTARTSYS;
/* ISR/atomic context는 절대 사용 불가 — mutex_lock은 sleep */

mutex는 sleep 가능한 context에서만 씁니다. ISR이나 spinlock 안에서는 안 됩니다.

#Userspace spinlock (단순 구현)

struct spinlock {
std::atomic<int> v{0};
void lock(void) {
int expected = 0;
while (!v.compare_exchange_weak(
expected, 1, std::memory_order_acquire)) {
expected = 0;
__asm__ volatile("yield" ::: "memory");
}
}
void unlock(void) {
v.store(0, std::memory_order_release);
}
};

contention 시 yield로 backoff합니다. 그러나 진짜 busy wait는 SMP에서만 의미가 있습니다.

#Ticket lock (FIFO 보장)

struct ticket_lock {
std::atomic<unsigned> next{0};
std::atomic<unsigned> now{0};
void lock(void) {
unsigned my = next.fetch_add(1, std::memory_order_acquire);
while (now.load(std::memory_order_acquire) != my) {
__asm__ volatile("yield" ::: "memory");
}
}
void unlock(void) {
now.fetch_add(1, std::memory_order_release);
}
};

번호표를 받아 자기 차례를 기다리는 구조입니다. 모든 thread가 같은 line(now)을 read해서 cache line ping-pong이 발생하지만, fairness는 보장됩니다.

#MCS lock (per-CPU spin)

struct mcs_node {
std::atomic<mcs_node *> next{nullptr};
std::atomic<bool> locked{false};
};
void mcs_lock(mcs_node **tail, mcs_node *me) {
mcs_node *prev = tail->exchange(me, std::memory_order_acquire);
if (prev) {
me->locked.store(true, std::memory_order_relaxed);
prev->next.store(me, std::memory_order_release);
while (me->locked.load(std::memory_order_acquire))
__asm__ volatile("yield" ::: "memory");
}
}
void mcs_unlock(mcs_node **tail, mcs_node *me) {
mcs_node *succ = me->next.load(std::memory_order_acquire);
if (!succ) {
mcs_node *exp = me;
if (tail->compare_exchange_strong(exp, nullptr)) return;
while (!(succ = me->next.load(std::memory_order_acquire)));
}
succ->locked.store(false, std::memory_order_release);
}

각 thread는 자기 line에서 spin합니다. cache line ping-pong이 사라져 코어 수에 거의 선형으로 scaling됩니다.

#qspinlock (Linux 표준 선택)

짧은 contentionMCS 1단계 — 빠름
긴 contentionMCS chain — fair
0 contentionCAS 한 줄

Linux는 4.2부터 qspinlock이 표준입니다. 일반 코드는 그냥 spin_lock을 부르면 됩니다.

#Decision tree

질문 1: 작업이 sleep 가능한가?
no → spinlock (ISR/atomic context)
yes → 질문 2
질문 2: hold time이 얼마인가?
< 1 µs spinlock 또는 atomic 직접
1~10 µs spinlock (SMP에서만)
> 10 µs mutex
질문 3: contention이 큰가? (코어 ≥ 8, 동시 thread > 4)
yes MCS / qspinlock 사용
no 기본 spinlock으로 충분

#측정 / 성능 비교

Cortex-A72 8-core, no contention
spinlock acquire/release 15 cycle
mutex lock/unlock (futex) ~50 ns (uncontended fast path)
ticket lock 18 cycle
MCS lock 20 cycle
contention 8 thread, 100 ns critical section
basic spinlock ~2 µs/op (cache ping-pong)
ticket lock ~1.8 µs/op
MCS lock ~300 ns/op (각자 자기 line)
mutex ~600 ns/op (context switch)

contention이 크면 MCS가 압도적입니다. mutex도 의외로 잘 동작합니다.

spinlock vs mutex (hold time별, 4 thread)
hold 100 ns: spinlock 0.4 µs/op, mutex 0.9 µs/op
hold 10 µs: spinlock 12 µs/op, mutex 11 µs/op
hold 100 µs: spinlock 80 µs/op, mutex 105 µs/op

hold time이 길어지면 mutex가 더 효율적입니다.

#자주 보는 함정

Single-CPU에서 spinlock 사용

spin_lock(&x); /* UP에서는 preempt_disable과 같음 — spin할 다른 코어 없음 */

UP(Uniprocessor) kernel에서는 spinlock이 preempt_disable로 컴파일됩니다. 의미가 다릅니다.

Sleep을 spinlock 안에서

spin_lock(&x);
msleep(10); /* BUG — spin 상태로 sleep 불가능 */
spin_unlock(&x);

spinlock 안에서는 sleep 가능한 모든 함수가 금지입니다.

ISR에서 mutex

void irq_handler(...) {
mutex_lock(&m); /* sleep 시도 → kernel oops */
}

ISR은 sleep 불가능합니다. 항상 spinlock_irqsave를 씁니다.

Hold time이 가변

spin_lock(&x);
if (rare_path) {
file_io(); /* 평소는 빠르지만 가끔 ms 단위 */
}
spin_unlock(&x);

rare path의 ms 작업이 모든 thread를 spin하게 만듭니다. lock을 잘게 쪼개거나 mutex로 옮깁니다.

Spinlock 안에서 atomic backoff 없음

while (!try_lock()); /* hot read — system 전반 영향 */

yield 또는 pause로 backoff를 둡니다.

#정리

  • Hold time < 1 µs면 spinlock 또는 atomic, > 10 µs면 mutex가 일반 규칙입니다.
  • ISR과 race 가능한 자원은 반드시 spinlock_irqsave입니다.
  • Single-CPU에서 spinlock은 preempt_disable과 같습니다.
  • contention이 크면 MCS / qspinlock으로 확장성을 회복합니다.
  • spinlock 안에서는 sleep 가능한 모든 작업이 금지입니다.
  • hold time이 가변이면 lock을 쪼개거나 mutex로 옮깁니다.
  • Linux는 4.2부터 qspinlock이 기본이므로 일반 코드는 spin_lock만 부르면 됩니다.

다음 편은 ABA 문제 회피입니다.

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  101. 101WCET 분석 기법 — Static·Measurement·Hybrid 방법론
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  107. 107Atomic Operation 비용 분석 — Fence·Cache Line·Contention
  108. 108Spinlock vs Mutex 결정 가이드 — Context Switch·Hold Time
  109. 109ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
  110. 110False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
  111. 111MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
  112. 112임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
  113. 113JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
  114. 114GDB 원격 디버깅 — OpenOCD·J-Link·target remote 구성
  115. 115Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
  116. 116UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
  117. 117임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
  118. 118인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
  119. 119메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
  120. 120타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
  121. 121통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
  122. 122임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
  123. 123임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
  124. 124FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
  125. 125Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
  126. 126PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
  127. 127AXI 인터페이스 — AXI4·AXI4-Lite·AXI-Stream 비교
  128. 128Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
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  130. 130Command Queue·Submission Queue — NVMe·XDMA 공통 패턴
  131. 131DMA Completion 메커니즘 — Interrupt·Polling·Completion Ring
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  134. 134HLS 최적화 기법 — Pipeline·Unroll·Partition·Dataflow
  135. 135Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
  136. 136OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
  137. 137Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
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  139. 139NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
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  141. 141TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
  142. 142TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
  143. 143ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
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  147. 147온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
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