C++, boost::thread : スレッドの同期と排他制御 – mutex、conditionクラス

複数のスレッドから1つの変数にアクセスする際、システム側のスレッドスケジューリング次第で、予期せぬ書き換えが起こってしまう場合があります。その為、ある1つのスレッドが変数にアクセスしている際は他のスレッドをブロックする排他制御やスレッドの同期を行う必要があります。C++でJavaのsynchronizedメソッド/ブロックと同じような記法でクリティカルセクションを実装する方法の1つにboost::threadライブラリのmutexとconditionクラスがあります。

mutex クラスの使い方

スレッドの排他制御を実現できます。具体的な使い方は、mutexインスタンスをmutex::scoped_lockクラスのコンストラクタの引数に指定し、そのインスタンスを取得することでロックをかけられます。あるスレッドが上の処理を以ってmutexインスタンスにロックをかけた場合、その他のスレッドは再度同一のmutexインスタンスにロックをかけられないようになっており、その他のスレッドはscoped_lockのコンストラクタ途中で待たされます。
mutexインスタンスのロック解除は、ロックをかけたスレッドがscoped_lockインスタンスのデストラクタを実行することで完了します。

condition クラスの使い方

次に、複数のスレッドを同期させる処理について。例えば、あるスレッドが排他的にある変数にアクセスしようとするが、その前にif文を用いて「Wait! そのアクセスちょっと待った!しばらく他のスレッドの処理を待て!」みたいな処理を行いたい場合。そのスレッドは既にmutex変数でロックを取得していますが、「待ち」に入る際はロックを解除する必要があります。
上述のような処理を実現するのがconditionクラスです。メンバ関数のwait()に引数にmutexインスタンスを指定することで、そのスレッドはロックを解除し一時停止します。他のスレッドがnotify_all()を実行すると、一時停止中の全てのスレッドが実行可能状態になります。これによって、スレッドの同期を実現します。

実際にどんな挙動か確かめよう

上の説明は以下のサンプルと実行結果を先に確認した後の方がしっくりくるかもしれません。

ソースコード

実行結果の一例

実行する環境によって、出力結果は変化します(格納・出力順序など)。

volatile 修飾子の必要性

52行目のメンバ変数のindexの宣言
volatile int index_;
volatile(揮発性)接頭語がつくと、コンパイラによる最適化を防ぐことができます。これによって、プログラムはindex_を読み取る際は必ずメモリから読みにいきます。これは変数が複数スレッドから常に書き換えられても、必ずそれが反映されるということです。

このサンプルでは付けなくても最適化によるバグの発生はなさそうかな…?
追記:コメントでのご指摘の通り、volatileは不要なので削除しました。

リファレンス

コメント

  1. HatenaBookmark より:

    id:syou6162: http://bit.ly/3gtoEA C , boost::thread : スレッドの同期と排他制御 – mutex、conditionクラス – Yukun’s Blog

  2. 匿名 より:

    これってvolatileじゃダメなのでは…? atomic使ったほうがいいのではないでしょうか?

    • yukun より:

      コメントありがとうございます。久々に過去記事を読み直しました。
      結論から言いますと、volatileじゃダメというわけではありません。また、atomicを使用する必要もありません。
      今回volatileを使用した目的は、index_変数をレジスタに格納するという最適化を防ぐ為のみです。上記のコードのindex_変数に対するアクセスはスレットセーフで行われています。(index_変数に対する処理は常に1スレッドのみとなるよう排他制御しています。)その為、再度atomic変数を用いてスレット間の同期とる必要はありません。
      参考サイト:
      「そろそろvolatileについて一言いっておくか」
      (スレットセーフでない変数へアクセスする際の問題点と、その解決策としてatomicの説明、volatileの問題点について記載されています)
      POS03-C. volatile を同期用プリミティブとして使用しない
      (volatileに関する説明が載ってます)
      ただ、私は当時このソースをコンパイルしたオブジェクトコードは確認しておらず、またこのコードでのvolatileの必要性は少々懐疑的です(実は)。その時はindex_、iarr_[100]、iarr_len_に対してvolatile修飾詞をつけたり、はずしたりしてテストしましたが、結局、レジスタ-メモリ間の値の不整合によるバグ、というのを再現できなかったからです。

  3. ちょこ より:

    C , boost::thread : スレッドの同期と排他制御 – mutex、conditionクラス – Yukun's Blog http://htn.to/5fkN4w

  4. anony より:

    この内容ならvolatileはいらないでしょう。
    排他されてますし、インライン展開抑止された関数で共有変数の操作を囲んである場合は、レジスタ上の値がメモリーに書き込まれますし、スレッド関係でvolatileが使える機会は、グローバル変数を使うときよりも稀です。volatile変数は、レジスタにロードして演算を開始する間にコンテキストスイッチが入れば簡単に値が狂います。止める場合がいい加減でよく、boolでループの停止用変数としてならある程度つかえますが、動くからといってgotoでブロックを飛び回るのと同じで、サンプルとして見せるにはあまり行儀よくは無いでしょうね。