Spinlock vs Mutex 결정 가이드 — Context Switch·Hold Time
#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 disable판단 기준입니다.
| hold time | 권장 |
|---|---|
| < 1 µs (수십 cycle) | spinlock 또는 atomic |
| 1~10 µs | spinlock (SMP) / mutex (UP) |
| > 10 µs | mutex |
| ISR context | 반드시 spinlock(_irqsave) |
| single-CPU | spinlock의 의미 없음 (preempt_disable로 대체) |
advanced spinlock variants도 있습니다.
| ticket lock | FIFO 보장 — fairness |
|---|---|
| MCS lock | 각 CPU가 자기 cache line에서 spin — 확장성 |
| qspinlock | Linux의 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 contention | MCS 1단계 — 빠름 |
|---|---|
| 긴 contention | MCS chain — fair |
| 0 contention | CAS 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 contentionspinlock acquire/release 15 cyclemutex lock/unlock (futex) ~50 ns (uncontended fast path)ticket lock 18 cycleMCS lock 20 cycle
contention 8 thread, 100 ns critical sectionbasic spinlock ~2 µs/op (cache ping-pong)ticket lock ~1.8 µs/opMCS 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/ophold 10 µs: spinlock 12 µs/op, mutex 11 µs/ophold 100 µs: spinlock 80 µs/op, mutex 105 µs/ophold 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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