C言語のC11規格のスレッド，ミューテックス，スレッド局所記憶「_Thread_local」を教えて！
こういった悩みにお答えします．
本記事の信頼性
- リアルタイムシステムの研究歴12年．
- 東大教員の時に，英語でOS（Linuxカーネル）の授業．
- 2012年9月～2013年8月にアメリカのノースカロライナ大学チャペルヒル校（UNC）コンピュータサイエンス学部で客員研究員として勤務．C言語でリアルタイムLinuxの研究開発．
- プログラミング歴15年以上，習得している言語: C/C++，Python，Solidity/Vyper，Java，Ruby，Go，Rust，D，HTML/CSS/JS/PHP，MATLAB，Verse（UEFN）, Assembler (x64，ARM)．
- 東大教員の時に，C++言語で開発した「LLVMコンパイラの拡張」，C言語で開発した独自のリアルタイムOS「Mcube Kernel」をGitHubにオープンソースとして公開．
- 2020年1月～現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるGuarantee Happiness LLCのCTOとしてECサイト開発やWeb/SNSマーケティングの業務．2022年6月～現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるJapanese Tar Heel, Inc.のCEO兼CTO．
- 最近は自然言語処理AIとイーサリアムに関する有益な情報発信に従事．
- （AI全般を含む）自然言語処理AIの論文の日本語訳や，AIチャットボット（ChatGPT，Auto-GPT，Gemini（旧Bard）など）の記事を50本以上執筆．アメリカのサンフランシスコ（広義のシリコンバレー）の会社でプロンプトエンジニア・マネージャー・Quality Assurance（QA）の業務委託の経験あり．
- （スマートコントラクトのプログラミングを含む）イーサリアムや仮想通貨全般の記事を200本以上執筆．イギリスのロンドンの会社で仮想通貨の英語の記事を日本語に翻訳する業務委託の経験あり．
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本記事では，C言語のC11規格のスレッド，ミューテックス，スレッド局所記憶「_Thread_local」を紹介します．
POSIXスレッドやミューテックスを知りたいあなたはこちらからどうぞ．
目次
【C言語】C11規格でマルチスレッドプログラミング
C言語のC11規格でマルチスレッドプログラミングを紹介します．
thrd_create/thrd_join関数
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typedef unsigned long int __thrd_t; typedef __thrd_t thrd_t; typedef int (*thrd_start_t) (void *); int thrd_create(thrd_t *thr, thrd_start_t func, void *arg); int thrd_join(thrd_t thr, int *res); |
C11規格のthrd_create/thrd_join関数を紹介します．
thrd_create関数は，関数ポインタfuncを実行する新しいスレッドを生成します．
argが指すオブジェクトがfuncの引数として使用されます．
成功した場合，thrに新しいスレッド識別子が設定されます．
thrd_create関数は，thrd_success，thrd_nomem，またはthrd_errorのいずれかを返します．
thrd_create関数とpthread_create関数の違いは，以下になります．
- thrd_create関数には，pthread_create関数の第2引数attrに相当するものがないこと
- thrd_create関数では，第2引数funcに生成したスレッドを実行する関数ポインタを指定するが，その返り値がint型であること（pthread_create関数の関数ポインタstart_routineの返り値はvoid*型）
thrd_join関数は，thrで識別されるスレッドが実行を終了するまで，現在のスレッドをブロックします．
resがNULLでない場合，スレッドの結果コードはresが指す場所に置かれます．
thrd_join関数は，thrd_successかthrd_errorのどちらかを返します．
thrd_create/thrd_join関数の使い方
thrd_create/thrd_join関数の使い方は以下になります．
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/* * Author: Hiroyuki Chishiro * License: 2-Clause BSD */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <threads.h> int func_thread(void *arg) { int *p = (int *) arg; printf("func_thread(): *p = %d\n", *p); return 0; } int main(void) { thrd_t thr; int ret; int a = 123; thrd_start_t func = func_thread; if ((ret = thrd_create(&thr, func, &a)) != thrd_success) { fprintf(stderr, "Error: thrd_create()\n"); exit(1); } if ((ret = thrd_join(thr, NULL)) != thrd_success) { fprintf(stderr, "Error: thrd_join()\n"); exit(2); } return 0; } |
実行結果は以下になります．
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$ gcc c11_thread.c $ a.out func_thread(): *p = 123 |
C11スレッドでミューテックス
C11スレッドでミューテックスする方法を紹介します．
mtx_init/mtx_lock/mtx_trylock/mtx_unlock/mtx_destroy関数
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int mtx_init(mtx_t *mutex, int type); int mtx_lock(mtx_t *mutex); int mtx_trylock(mtx_t *mutex); int mtx_unlock(mtx_t *mutex); void mtx_destroy(mtx_t *mutex); |
mtx_init/mtx_lock/mtx_trylock/mtx_unlock/mtx_destroy関数を紹介します．
mtx_init関数は，typeを持つ新しいmutexオブジェクトを作成します．
mutexが指すオブジェクトには，新しく生成されたmutexの識別子が設定されます．
type引数の詳細を知りたいあなたは，上記のリンク先を見て下さい．
本記事のコードでは，type引数にmtx_plainを利用します．
mtx_lock関数は，mutexがロックされるまで，現在のスレッドをブロックします．
mtx_lock関数は，thrd_successかthrd_errorのどちらかを返します．
mtx_trylock関数は，mutexが指すミューテックスをブロックせずにロックしようとします．
すでにロックされている場合は即座に戻ります．
mtx_trylock関数は，ロックが得られた場合はthrd_success，ミューテックスが既にロックされている場合はthrd_busy，失敗した場合はthrd_errorを返します．
mtx_unlock関数は，mutexが指すミューテックスのロックを解除します．
mtx_unlock関数は，thrd_successまたはthrd_errorのどちらかを返します．
mtx_destroy関数は，mutexを破壊します．
mtx_init/mtx_lock/mtx_unlock/mtx_destroy関数の使い方
mtx_init/mtx_lock/mtx_unlock/mtx_destroy関数の使い方は以下になります．
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/* * Author: Hiroyuki Chishiro * License: 2-Clause BSD */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <threads.h> #define LOOP_NUM 50000 #define NR_THREADS 2 int func_thread(void *arg) { size_t i; #ifndef NO_LOCK mtx_t *mutex = (mtx_t *)((void **) arg)[0]; #endif int *count = (int *)((void **) arg)[1]; for (i = 0; i < LOOP_NUM; i++) { #ifndef NO_LOCK if (mtx_lock(mutex) != thrd_success) { fprintf(stderr, "Error: cannot lock\n"); exit(1); } /* critical section with lock. */ (*count)++; if (mtx_unlock(mutex) != thrd_success) { fprintf(stderr, "Error: cannot unlock\n"); exit(2); } #else /* critical section without lock (interleaving increment operations). */ (*count)++; #endif } return 0; } int main(void) { thrd_t thrs[NR_THREADS]; size_t i; mtx_t mutex; thrd_start_t func = func_thread; int count = 0; void *arg[] = {&mutex, &count}; mtx_init(&mutex, mtx_plain); for (i = 0; i < NR_THREADS; i++) { if (thrd_create(&thrs[i], func, arg) != thrd_success) { fprintf(stderr, "Error: thrd_create()\n"); exit(1); } } for (i = 0; i < NR_THREADS; i++) { if (thrd_join(thrs[i], NULL) != thrd_success) { fprintf(stderr, "Error: thrd_join()\n"); exit(2); } } printf("count = %d\n", count); mtx_destroy(&mutex); return 0; } |
実行結果は以下になります．
countの数値がLOOP_NUM（=50000）の2倍，つまり50000 * 2 = 100000になることがわかります．
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$ gcc c11_mutex.c $ a.out count = 100000 |
-DNO_LOCKオプションを付けてコンパイルした場合の実行結果は以下になります．
5行目の「count = 51303」で100000より小さい値になっていることがわかります．（100000や他の値になる場合もあります．）
この理由は，Linuxはプリエンプティブ・マルチタスクの実行が可能なため，countのインクリメント処理でインターリーブが発生してしまうからです．
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$ gcc c11_mutex.c -DNO_LOCK $ a.out count = 51303 |
mtx_init/mtx_trylock/mtx_unlock/mtx_destroy関数の使い方
mtx_init/mtx_trylock/mtx_unlock/mtx_destroy関数の使い方は以下になります．
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/* * Author: Hiroyuki Chishiro * License: 2-Clause BSD */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <stdbool.h> #include <threads.h> #define LOOP_NUM 50000 #define NR_THREADS 2 int func_thread(void *arg) { size_t i; #ifndef NO_LOCK mtx_t *mutex = (mtx_t *)((void **) arg)[0]; #endif int *count = (int *)((void **) arg)[1]; for (i = 0; i < LOOP_NUM; i++) { #ifndef NO_LOCK while (true) { if (mtx_trylock(mutex) == thrd_success) { /* critical section with lock. */ (*count)++; if (mtx_unlock(mutex) != thrd_success) { fprintf(stderr, "Error: cannot unlock\n"); exit(1); } break; } /* cannot lock and do next trial. */ } #else /* critical section without lock (interleaving increment operations). */ (*count)++; #endif } return 0; } int main(void) { thrd_t thrs[NR_THREADS]; size_t i; mtx_t mutex; thrd_start_t func = func_thread; int count = 0; void *arg[] = {&mutex, &count}; mtx_init(&mutex, mtx_plain); for (i = 0; i < NR_THREADS; i++) { if (thrd_create(&thrs[i], func, arg) != thrd_success) { fprintf(stderr, "Error: thrd_create()\n"); exit(1); } } for (i = 0; i < NR_THREADS; i++) { if (thrd_join(thrs[i], NULL) != thrd_success) { fprintf(stderr, "Error: thrd_join()\n"); exit(2); } } printf("count = %d\n", count); mtx_destroy(&mutex); return 0; } |
実行結果は以下になります．
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$ gcc c11_mutex2.c $ a.out count = 100000 |
-DNO_LOCKオプションを付けてコンパイルした場合の実行結果は以下になります．同様です．
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$ gcc c11_mutex2.c -DNO_LOCK $ a.out count = 77124 |
スレッド局所記憶「_Thread_local」
スレッド局所記憶「_Thread_local」は，C11規格から採用された静的変数またはグローバル変数をスレッドごとに局所的に利用するための手法です．
_Thread_localは，自動変数には利用できないことに注意して下さい．（そもそも自動変数はスレッド局所記憶なので必要ありませんね．．．）
同じ静的変数やグローバル変数を参照する2つのスレッドが，（変数をスレッドに対して局所的にすることで）実際には異なるメモリ番地を参照できることが望ましい場合があります．
例えば，C言語でエラーコードを格納するerrnoが挙げられます．
errnoは昔はグローバル変数でしたが，現在はスレッド局所記憶になっています．
スレッド局所記憶「_Thread_local」を利用するコードは以下になります．
_Thread_localはthreads.hでthread_localとしてマクロ定義されていますので，以下のコードではthread_localを利用しています．
func_thread関数では，ミューテックスを使わずに競合を回避することで，シンプルなコードになっていることがわかります．
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/* * Author: Hiroyuki Chishiro * License: 2-Clause BSD */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <threads.h> #define LOOP_NUM 50000 #define NR_THREADS 2 thread_local int count = 0; int func_thread(void *arg) { size_t i; for (i = 0; i < LOOP_NUM; i++) { count++; } return count; } int main(void) { thrd_t thrs[NR_THREADS]; size_t i; thrd_start_t func = func_thread; int count = 0; int ret; for (i = 0; i < NR_THREADS; i++) { if (thrd_create(&thrs[i], func, NULL) != thrd_success) { fprintf(stderr, "Error: thrd_create()\n"); exit(1); } } for (i = 0; i < NR_THREADS; i++) { if (thrd_join(thrs[i], &ret) != thrd_success) { fprintf(stderr, "Error: thrd_join()\n"); exit(2); } count += ret; } printf("count = %d\n", count); return 0; } |
実行結果は以下になります．
合計を正しく計算できていることがわかります．
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$ gcc c11_thread_local.c $ a.out count = 100000 |
まとめ
C言語のC11規格のスレッド，ミューテックス，スレッド局所記憶「_Thread_local」を紹介しました．
C11規格のマルチスレッドプログラミングがわかりました．
C言語を独学で習得することは難しいです．
私にC言語の無料相談をしたいあなたは，公式LINE「ChishiroのC言語」の友だち追加をお願い致します．
私のキャパシティもあり，一定数に達したら終了しますので，今すぐ追加しましょう！
独学が難しいあなたは，元東大教員がおすすめするC言語を学べるオンラインプログラミングスクール5社で自分に合うスクールを見つけましょう．後悔はさせません！
