Lock-freeとWait-freeアルゴリズム
Wait-free のデータ構造を使ったプログラムを書くには、ミューテックスを使って書いてあるアルゴリズムを Wait-free のアルゴリズムに書き直すよりも、Wait-free のデータ構造の研究者が書いたスタック、キュー、セット、マップを使った方が望ましい。例えば、Java 5以降では、java.util.concurrentパッケージに Wait-free のデータ構造のクラスが入っている。Wait-free のデータ構造を使うことで、スレッド間で非同期にデータをやりとりするプログラムが書きやすくなる。
マルチスレッドプログラミングにおいて古典的な手法は、共有リソースにアクセスするときはロックをかけることである。ミューテックスやセマフォといった排他制御は、ソースコードにおいて共有リソースにアクセスする可能性のある領域(クリティカルセクション)を複数同時に実行しないようにすることで、共有メモリの構造を破壊しないようにする。もし、スレッドAが事前に獲得したロックを別のスレッドBが獲得しようとするときは、ロックが解放されるまでスレッドBの動作は停止する。
ロックの解放を待機するスレッドは、スリープやスピンといった手法で待機する。スリープ中はプロセッサを他のスレッドに空け渡すため、システム全体の負荷が下がるが、スリープの時間的な精度や分解能はオペレーティングシステムやプロセッサによって異なることがあり、またスリープから復帰する際に時間的オーバーヘッドが発生する。一方スピンによる待機(スピンロック)中は、スレッドはプロセッサを解放せず、システム全体に負荷をかけたままになる。
スレッドが停止することは多くの理由で望ましくない。まず、スレッドがブロックされている間は、そのスレッドは何もできない。そして、スレッドが優先順位の高い処理やリアルタイム処理を行っているならば、そのスレッドを停止することは望ましくない。また、複数のリソースにロックをかけることは、デッドロック、ライブロック、優先順位の逆転を起こすことがある。さらに、ロックを使うには、並列処理の機会を減らす粒度の粗い(すなわちクリティカルセクションが広い)ロックを選択するか、バグを生みやすく注意して設計しないといけない粒度の細かいロックを選択するかというトレードオフ問題を生む。