futex・とは？初心者向け解説と使い方の基本共起語・同意語・対義語も併せて解説！

この記事を書いた人

高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

futex・とは？

futexは、Linuxのプログラムで使われる「高速なユーザー空間の排他制御機構」です。正式には fast userspace mutex の略称で、スレッド同士の競合を効率よく解決するために設計されています。通常のロックはカーネルに頼ることがありますが、futexはまずユーザー空間でできるだけ多くの処理を済ませ、必要なときだけ kernel に介入します。

仕組みをざっくり理解しよう

複数のプログラムやスレッドが同じデータを同時に書き換えようとすると、データが壊れてしまうことがあります。これを防ぐために「排他制御」が使われます。futexはこの排他制御を二段階で行います。第一段階はユーザー空間だけで素早く状態を読み替える「ファストパス」です。ここで競合が起きなければ、カーネルには入りません。第二段階は競合が起きたときだけ、futexシステムコールを使ってカーネルに待機させ、他のスレッドが準備が整ったら起こしてくれます。

どう動くの？

実際には、データの状態を示す変数と、それを操作するルールが決まっています。最初のうちは「比較と代入」を使って ユーザー空間で競合を回避します。もし別のスレッドが同じ変数を更新してしまうと、待機が必要になります。その場合、futexの待機部分がカーネルに入り、対象のスレッドが「待機リスト」に追加されます。別のスレッドが待機しているスレッドを呼び出すと、待機していたスレッドは起床して再び実行を続けます。

実際の使いどころ

代表的な例として、glibc が提供する mutex や条件変数の実装があります。futexを使うことで、通常のロックよりも高速に動作することが多く、デスクトップやサーバーのアプリケーションで広く使われています。しかし、使い方を間違えると待機状態が長引き、パフォーマンスが低下したりデッドロックに繋がることもあるため、適切な設計が大切です。

表で見る futex の特徴

<th>待機時の動作

特徴	ファストパスはユーザー空間で完結
競合時のみカーネルの futex で待機
パフォーマンスのポイント	多くの場合、カーネル介入を最小化して高速化
注意点	正しく使わないとデッドロックやスピンが悪化することがある

まとめ

futexは、ソフトウェアが複数の処理を並行して動かすときに、できるだけ速く安全に「排他」を実現する道具です。理解のコツは「まずユーザー空間で解決、必要なときだけカーネルに任せる」という考え方です。プログラミングの現場で futex を使うときは、競合が発生する場所を最小限に抑え、待機時間を短くする設計を心がけましょう。

futexの同意語

futex: fast userspace mutex の略。Linux などのOSで使われる、待機と再開を可能な限りユーザー空間で処理し、必要な場合だけカーネルに介入してスリープを実現する同期プリミティブ。
fast userspace mutex: futex の英語名称。意味は同じく「高速なユーザー空間で動作するミューテックス」。
高速ユーザー空間ミューテックス: futex の日本語表現。ユーザー空間で多くの処理を行い、必要時のみカーネルに待機を任せる、効率的な同期プリミティブ。
futex 仕組み: futex が提供する待機・ウェイクの仕組みを指す表現。基本はユーザー空間での高速な処理を優先し、 contention 時のみカーネルを介す形。
futex 機構: futex の待機と再開の機構全般を指す表現。

futexの対義語・反対語

遅いミューテックス: futexは高速なパスを意図したミューテックスですが、それと対になるイメージとして「遅いミューテックス」が挙げられます。ユーザー空間での最適化が少なく、スレッドが解放・取得時にカーネル介入を伴い遅く動作します。
カーネル介入型ミューテックス: 取得・解放のたびにカーネルの介入を前提とするミューテックス。futexのようなユーザー空間の高速パスを使わず、全てカーネルで処理します。
スピンロック: 待機中にCPUを消費して忙しく待つロック。futexの待機が眠らせる形を取るのに対し、スピンロックはブロックせず回り続けます。
ノンブロッキングロック: 取得失敗時に待機せず即座に戻る、非ブロック型のロック。futexの「ブロックして待つ」パスとは反対の性質です。
完全なカーネル待機ロック: ユーザー空間の最適化を使わず、全てをカーネル待機で実現する設計のロックです。

futexの共起語

ファストユーザ空間ミューテックス: ユーザー空間で多くの待機と解放を処理し、カーネル介入を最小化する同期プリミティブ。
futex_wait: 指定した futex の値が期待値と一致するまでスレッドを待機状態にするシステムコール。
futex_wake: 待機中のスレッドを起こして実行状態に戻す操作。
FUTEX_WAIT: futex API の待機オペコード。
FUTEX_WAKE: futex API のウェイクアップオペコード。
FUTEX_REQUEUE: 待機中のスレッドを別の futex へ再キューするオペコード。
FUTEX_PRIVATE_FLAG: futex の共有範囲をプロセス間で共有せず、同一プロセス内で最適化するフラグ。
FUTEX_WAIT_PRIVATE: プライベート futex 用の待機オペコード（同一プロセス内でのみ使用）。
FUTEX_WAKE_PRIVATE: プライベート futex 用のウェイクアップオペコード。
PI_futex: Priority Inheritance Futex（優先度継承 futex）。優先度の衝突を正しく扱う機能。
robust_futex: 頑健 futex。プロセス崩壊時にもロック状態を安全に回復する設計。
pthread: POSIX Threads の実装で futex を内部的に利用することが多い。
mutex: 排他ロックの総称。futex はこのロックの実現手段の一つ。
スレッド: 並行実行する実体。futex はスレッド間の同期に使われる。
待機キュー: カーネル側で待機中のスレッドを管理するデータ構造。
Linuxカーネル: futex の実装とシステムコールを提供する Linux の核になる部分。
ユーザー空間: アプリケーション側の領域。futex の値を更新・監視する場所。

futexの関連用語

futex: fast userspace mutex の略。ユーザ空間でロックをまず試み、競合時に Linux カーネルの futex システムコールで待機・起床を行う、スケーラブルな同期プリミティブ。
ユーザ空間ロック: futex を用いて実装される、ユーザ空間でのロックの総称。通常は競合が少ない場合はカーネル介在を避け、競合時のみ kernel に協力を求める設計。
ミューテックス: 排他制御の基本的な仕組み。futex は Linux で実装されるミューテックスの一種で、待機と起床を kernel に委ねる設計。
futexシステムコール: Linux の futex API。wait/ wake/ requeue などの操作を kernel 側に依頼する入口。
FUTEX_WAIT: uaddr の値が val と等しい間、スレッドを待機状態にし、値が変わると再開する。タイムアウトを指定することも可能。
FUTEX_WAKE: 待機中のスレッドを指定数だけ起こす。主にロックの解放後に待機スレッドを復帰させる。
FUTEX_WAKE_OP: FUTEX_WAKE と関連するアトミック操作を同時に実行する複合操作。
FUTEX_REQUEUE: 待機中のスレッドを別の futex に再キューする。条件付き待機の実装に使われる。
FUTEX_CMP_REQUEUE: 比較条件つきの再キュー。特定の条件を満たす場合のみ待機者を別の futex へ移動する。
FUTEX_WAIT_BITSET: ビットセットを使って待機条件を絞り込む版。特定ビットの立ち上がりで待機を継続。
FUTEX_WAKE_BITSET: ビットセット条件で待機者を起こす版。
FUTEX_PRIVATE_FLAG: このフラグを付けると futex が同一プロセス内だけで共有される。複数プロセス間で共有する場合は未指定（shared）扱い。
FUTEX_CLOCK_REALTIME: timeout の基準時計を CLOCK_REALTIME にするフラグ。デフォルトの時計を変更する用途で使われる。
FUTEX_LOCK_PI: 優先度継承をサポートする futex ロック操作。高優先度スレッドの待ち時間を減らし、優先度逆転を緩和する。
FUTEX_UNLOCK_PI: PI 対応の mutex を解放する操作。
PIフutex: 優先度継承をサポートする futex の総称。PI モードのロックでは優先度逆転を最小化する。
robust futex: ロバスト futex。スレッドがロックを保持したまま落ちても、後続スレッドが安全にロックを解放できるようにする機構。
robust list: 各スレッドが保持していた futex の情報を追跡するリスト。スレッド終了時のクリーンアップに使われる。
pthread における futex 利用: POSIX スレッドライブラリ（glibc など）が mutex や condition variable を futex ベースで実装している。