C LANGUAGE TECHNOLOGY

【C言語】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」

悩んでいる人

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コンピュータサイエンス学部2021年の世界大学学術ランキングで20位)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++Solidity/Vyper,Java,Python,Ruby,HTML/CSS/JS/PHP,MATLAB,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」GitHubにオープンソースとして公開

こういった私から学べます.

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.

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【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

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,その戻り値がint型であること(pthread_create関数の関数ポインタstart_routineの戻り値は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.

実行結果は以下になります.

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

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.

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.

-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.

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.

実行結果は以下になります.

-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.

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.

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.

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.

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