lock、mutex、critical section、semaphoreについて説明してください。

Question

IT Interview Practice · Accepted Answer

**mutexは相互排他（mutual exclusion）を保証するロックです。一度に1つのスレッドだけが保持でき、保護されたcritical sectionに入れます。** semaphoreはこれを一般化し、最大N個の同時保持を許します。

## 仕組み

- **critical section**: 共有状態に触れ、並行に実行してはならないコード領域。
- **mutex（相互排他）**: 区間の前に取得（acquire）し、後で解放（release）する。2つ目のスレッドは空くまでブロックされる。通常は取得したスレッドが所有し、そのスレッドだけが解放できる。
- **semaphore**: N個の許可（permit）のカウンタを持つ。`acquire()`は減算し（0でブロック）、`release()`は加算する。mutexは本質的にN=1のsemaphoreだが、所有権のセマンティクスを持つ。

```python
lock = threading.Lock()
def transfer(a, b, amt):
    with lock:                 # critical section — one thread at a time
        a.balance -= amt
        b.balance += amt

# Semaphore: cap concurrent DB connections at 10
sem = threading.Semaphore(10)
def query():
    with sem:                  # up to 10 threads run this concurrently
        db.execute(...)
```

## 落とし穴

- **解放し忘れる** → 永久ブロック。`with`/RAII/`defer`を使い、例外時でも解放が自動になるようにする。
- **ロックを長く保持しすぎる**とスループットが台無しになる。critical sectionは小さく保つ。
- **ロックの粒度**: 粗いロック1つは単純だがすべてを直列化する。細かいロックを多数使うほどスケールしやすいが、デッドロックのリスクがある。

## なぜ重要なのか

これらは共有状態を守るための日常的な道具です。mutexはアクセスを直列化してraceを防ぎ、semaphoreはリソースプール（接続、許可、レート制限）を絞ります。正しいプリミティブを選び、critical sectionを短く保つことが、「正しくて速い」と「正しいが遅い」の分かれ目です。

仕組み

落とし穴

なぜ重要なのか

関連する質問