C 言語 - semaphore, mutex を使った並行プログラミングサンプルコード

C 言語では、並行プログラミングにおいて、複数のスレッドやプロセスが共有リソースにアクセスする際、同期化が必須となる。同期化を行うための手段として、セマフォやミューテックスが広く使われている。特に、並行プログラミング初心者にとっては、これらの手段を効果的に使用することが大きな課題となる。本稿では、C 言語での並行プログラミングにおいて、セマフォとミューテックスを使用したサンプルコードを紹介し、実際の開発での応用方法を明確化する。

並行プログラミングにおける同期制御の重要性

並行プログラミングにおいて、複数のスレッドやプロセスが同時に実行されるため、同期制御が非常に重要です。同期制御を行うことで、プログラムの安全性や性能を高めることができます。この記事では、C 言語におけるparallel programming の一例として、セマフォー（semaphore）とミューテックス（mutex）を使用したサンプルコードを紹介します。

セマフォーの基本的な仕組み

セマフォーは、複数のスレッドやプロセスが同時にアクセスする共有リソースを管理するための機構です。セマフォーには、カウントとwait/notify の2つの要素があります。カウントは、共有リソースへのアクセス数を管理し、wait/notifyは、スレッドやプロセスが待機状態に入ることを管理します。

操作	説明
sem wait()	セマフォーのカウントをデクリメントし、0以下になったら待機状態に入る
sem post()	セマフォーのカウントをインクリメントし、待機状態にあるスレッドやプロセスを通知

ミューテックスの基本的な仕組み

ミューテックスは、共有リソースへのアクセスを排他制御するための機構です。ミューテックスには、ロックとアンロックの2つの要素があります。ロックは、共有リソースへのアクセスを禁止し、アンロックは、共有リソースへのアクセスを許可します。

操作	説明
mutex lock()	ミューテックスをロックし、共有リソースへのアクセスを禁止
mutex unlock()	ミューテックスをアンロックし、共有リソースへのアクセスを許可

セマフォーとミューテックスの使い分け

セマフォーとミューテックスは、共に同期制御を行うための機構ですが、使い分けが必要です。セマフォーは、複数のスレッドやプロセスが同時にアクセスする共有リソースを管理するために使用し、ミューテックスは、共有リソースへのアクセスを排他制御するために使用します。

サンプルコードの紹介

以下は、C 言語におけるparallel programming の一例として、セマフォーとミューテックスを使用したサンプルコードです。 c include include sem t sem; pthread mutex t mutex; void thread func(void arg) { sem wait(&sem); pthread mutex lock(&mutex); // 共有リソースへのアクセス pthread mutex unlock(&mutex); sem post(&sem); return NULL; } int main() { sem init(&sem, 0, 5); // 5個のスレッドが同時にアクセス可能 pthread mutex init(&mutex, NULL); pthread t threads[5]; for (int i = 0; i < 5; i++) { pthread create(&threads[i], NULL, thread func, NULL); } for (int i = 0; i < 5; i++) { pthread join(threads[i], NULL); } sem destroy(&sem); pthread mutex destroy(&mutex); return 0; }

並行プログラミングのためのTips

並行プログラミングを行う際には、以下のようなTipsを守ることで、プログラムの安全性や性能を高めることができます。共有リソースへのアクセスを同期制御するスレッドやプロセスの数を適切に設定する AndWait/notify を適切に使用するロックの競合を避けるプログラムのテストを適切に行う

よくある質問

セマフォとミューテックスの違いは何ですか？

セマフォとミューテックスは、並行プログラミングでの同期機構ですが、異なる点があります。セマフォは、カウンター値を持ち、複数のスレッドがアクセスできるリソースの数を制限するために使用します。一方、ミューテックスは、排他的アクセスを実現するために使用され、ロックを取得できるスレッドは一つしかありません。セマフォは、複数のスレッドが同時にアクセスできるリソースを管理するのに適しており、ミューテックスは、一つのスレッドが独占的にアクセスするリソースを管理するのに適しています。

ミューテックスのロックは何回取得できますか？

ミューテックスのロックは、基本的に一度しか取得できません。複数回ロックを取得しようとすると、デッドロックの状態になる可能性があります。しかし、再entrantミューテックスという特殊なミューテックスがあり、これを使用すると、同一スレッドが複数回ロックを取得することができます。再entrantミューテックスは、スレッドが複数回ロックを取得できるように設計されており、特に再帰関数の実装に便利です。

セマフォを使った並行プログラミングサンプルコードはどこにあるのですか？

セマフォを使った並行プログラミングサンプルコードは、多くのオンラインリソースやプログラミング教則書にあります。例えば、UNIX/Linux系のOSでは、semaphore.hヘッダーに含まれるsem init、sem wait、sem post関数を使用してセマフォを実装することができます。また、Windows系のOSでは、CreateSemaphore、WaitForSingleObject、ReleaseSemaphore関数を使用してセマフォを実装することができます。

ミューテックスとセマフォのパフォーマンスはどのように比較されますか？

ミューテックスとセマフォのパフォーマンスは、システムの状況や実装方法によって異なりますが、一般的にミューテックスの方が高速です。ミューテックスは、ロックの取得や解放にかかる時間が短いため、高速に同期を実現できます。一方、セマフォは、カウンター値の操作やワケアップの機構を持つため、ミューテックスよりも遅い実行速度になります。ただし、セマフォの方が柔軟な同期機構を提供するため、システムの要件に応じて適切な選択を行う必要があります。

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