C++：１３．マルチスレッドプログラミングの基礎

マルチスレッドプログラミングは、複数のタスクを同時に実行することで、プログラムのパフォーマンスを向上させるための技術です。C++では、C++11以降の標準ライブラリにマルチスレッドのサポートが追加され、よりシンプルで強力な並列処理が可能になりました。本記事では、マルチスレッドの基本概念から、C++での実装方法、そして安全なスレッド管理について詳しく解説します。

マルチスレッドプログラミングの基本概念

マルチスレッドとは、プログラム内で複数のスレッド（軽量プロセス）を使用し、それぞれのスレッドが独立して動作する技術です。これにより、複数のタスクを同時に処理することで、システムのパフォーマンスや応答性を向上させることが可能です。例えば、ゲームプログラムでは、一つのスレッドがグラフィックスを描画し、もう一つのスレッドが入力を処理する、といった使い方が一般的です。

スレッドの作成

C++でスレッドを作成するには、std::threadクラスを使用します。スレッドは独立して動作する関数を実行し、作成時にその関数を引数として渡します。次のコードは、C++でスレッドを作成する基本的な例です。

#include <iostream>
#include <thread>

void printMessage() {
    std::cout << "スレッドが実行されています！" << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(printMessage); // スレッドを作成し実行
    t1.join(); // メインスレッドが終了する前にt1を待つ
    return 0;
}

この例では、printMessageという関数を別のスレッドで実行しています。t1.join()を呼び出すことで、メインスレッドが終了する前に、t1スレッドが終了するのを待機しています。join()を呼び出さない場合、スレッドがバックグラウンドで実行されたままメインプログラムが終了してしまう可能性があります。

スレッドの引数と戻り値

スレッドに引数を渡す場合、通常の関数と同様に引数を指定できます。次の例では、スレッドに引数を渡して異なるメッセージを表示させています。

#include <iostream>
#include <thread>

void printMessage(const std::string& message) {
    std::cout << message << std::endl;
}

int main() {
    std::string msg = "スレッドに引数が渡されました！";
    std::thread t1(printMessage, msg); // スレッドに引数を渡す
    t1.join();
    return 0;
}

この例では、スレッドに文字列を引数として渡し、printMessage関数でそれを表示しています。スレッドに渡す引数は、値渡しと参照渡しの両方が可能です。値渡しの場合、スレッド内でその引数を変更しても、元の変数には影響を与えません。

スレッドの同期

マルチスレッドプログラミングでは、複数のスレッドが同じデータにアクセスする場合、データ競合が発生する可能性があります。これを防ぐために、スレッド間の同期が必要です。C++では、std::mutexクラスを使用して、クリティカルセクション（同時にアクセスできない領域）を保護します。

mutexを使用した同期

以下は、std::mutexを使用して、複数のスレッドが同時に同じデータにアクセスしないようにする例です。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mtx;

void printMessage(const std::string& message) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // スレッド間での同期
    std::cout << message << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(printMessage, "スレッド1が実行中");
    std::thread t2(printMessage, "スレッド2が実行中");

    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

この例では、std::mutexを使って、std::coutへのアクセスを保護しています。複数のスレッドが同じタイミングで出力を行うと、結果が混ざる可能性がありますが、std::mutexを使うことでこれを防ぎます。std::lock_guardは、スコープを抜ける際に自動的にロックを解除してくれる便利なクラスです。

マルチスレッドのパフォーマンス向上と課題

マルチスレッドプログラミングは、プログラムのパフォーマンスを大幅に向上させる可能性がありますが、誤った同期やロックの使用によってデッドロックやスレッドスタベーションといった問題も発生します。これらを防ぐためには、適切なスレッド設計が不可欠です。また、マルチスレッド化が必ずしもすべての状況で有効とは限らないため、パフォーマンスの改善が見込める箇所にのみ適用することが重要です。

スレッドプールの利用

大量のスレッドを個別に作成すると、システムに負担がかかるため、std::threadを使用したスレッドプールの導入が効果的です。スレッドプールは、あらかじめ一定数のスレッドを作成し、タスクが発生したときにそれらを再利用します。これにより、スレッドの作成と破棄によるオーバーヘッドが軽減され、パフォーマンスの向上が期待できます。

次のコードは、簡単なスレッドプールの例です。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <queue>
#include <functional>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

class ThreadPool {
public:
    ThreadPool(size_t threads);
    ~ThreadPool();

    void enqueue(std::function<void()> task);

private:
    std::vector<std::thread> workers;
    std::queue<std::function<void()>> tasks;

    std::mutex queue_mutex;
    std::condition_variable condition;
    bool stop;

    void worker();
};

ThreadPool::ThreadPool(size_t threads) : stop(false) {
    for (size_t i = 0; i < threads; ++i)
        workers.emplace_back(&ThreadPool::worker, this);
}

ThreadPool::~ThreadPool() {
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
        stop = true;
    }
    condition.notify_all();
    for (std::thread &worker : workers)
        worker.join();
}

void ThreadPool::enqueue(std::function<void()> task) {
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
        tasks.push(task);
    }
    condition.notify_one();
}

void ThreadPool::worker() {
    while (true) {
        std::function<void()> task;
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
            condition.wait(lock, [this] { return stop || !tasks.empty(); });
            if (stop && tasks.empty())
                return;
            task = std::move(tasks.front());
            tasks.pop();
        }
        task();
    }
}

int main() {
    ThreadPool pool(4);

    for (int i = 0; i < 8; ++i) {
        pool.enqueue([i] {
            std::cout << "タスク " << i << " を実行中" << std::endl;
        });
    }

    return 0;
}

このコードでは、ThreadPoolクラスを定義し、4つのスレッドをプールとして使用しています。各タスクはスレッドプール内のスレッドで実行され、効率的な並列処理が行われます。スレッドプールの利用は、特に大量のタスクが発生するプログラムでパフォーマンスを向上させる重要な技術です。

まとめ

C++におけるマルチスレッドプログラミングは、プログラムのパフォーマンス向上に大きな効果をもたらしますが、正しく実装しないとデッドロックやリソース競合といった問題が発生することもあります。本記事では、基本的なスレッドの作成、スレッド間の同期、そしてスレッドプールの導入について解説しました。マルチスレッドを活用することで、より効率的で応答性の高いアプリケーションを構築することができます。