C言語 pthread入門

スレッドとプロセス

• プロセス: メモリ空間を独立して持つ。プロセス間通信（IPC）が必要。
• スレッド: 同一プロセスのメモリ空間を共有する。通信は変数で可能。だがデータ競合に注意。
• CPUがマルチコアなら、複数のスレッドが実際に同時に動く。

pthread_create / join

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

// スレッドが実行する関数: 引数も戻り値も void*
void *worker(void *arg) {
    int id = *(int *)arg;
    printf("hello from thread %d\n", id);
    return NULL;
}

int main(void) {
    pthread_t t1, t2;
    int a = 1, b = 2;

    pthread_create(&t1, NULL, worker, &a);
    pthread_create(&t2, NULL, worker, &b);

    pthread_join(t1, NULL);  // t1が終わるまで待つ
    pthread_join(t2, NULL);

    printf("main done\n");
    return 0;
}

戻り値を受け取る

void *compute(void *arg) {
    int x = *(int *)arg;
    int *result = malloc(sizeof(int));
    *result = x * x;
    return result;
}

// main側:
void *ret;
pthread_join(t, &ret);
printf("result = %d\n", *(int *)ret);
free(ret);

データ競合（実演）

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

#define N 4
#define LOOPS 1000000

long counter = 0;         // 全スレッドで共有

void *worker(void *arg) {
    for (int i = 0; i < LOOPS; i++) {
        counter++;              // これが原子的ではない!
    }
    return NULL;
}

int main(void) {
    pthread_t th[N];
    for (int i = 0; i < N; i++)
        pthread_create(&th[i], NULL, worker, NULL);
    for (int i = 0; i < N; i++)
        pthread_join(th[i], NULL);

    printf("expected: %d\n", N * LOOPS);
    printf("actual:   %ld\n", counter);
    return 0;
}

mutex で修正

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

#define N 4
#define LOOPS 1000000

long counter = 0;
pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *worker(void *arg) {
    for (int i = 0; i < LOOPS; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mtx);
        counter++;                       // 保護された区間
        pthread_mutex_unlock(&mtx);
    }
    return NULL;
}

int main(void) {
    pthread_t th[N];
    for (int i = 0; i < N; i++)
        pthread_create(&th[i], NULL, worker, NULL);
    for (int i = 0; i < N; i++)
        pthread_join(th[i], NULL);

    printf("counter = %ld\n", counter);  // 常に4000000
    pthread_mutex_destroy(&mtx);
    return 0;
}

簡単な場合は atomic の方が速い

#include <stdatomic.h>

atomic_long counter = 0;

// worker内:
atomic_fetch_add(&counter, 1);   // ロックなしで安全

デッドロック回避

// NG: スレッドごとにロック順序が違う
// Thread A: lock(m1) → lock(m2)
// Thread B: lock(m2) → lock(m1)
// → 両方が片方取った瞬間にデッドロック

回避策

1. 順序を統一する: mutex に番号を付け、必ず若い番号から取る。全スレッドで同じ順序なら循環が起きない。
2. trylock を使う: pthread_mutex_trylock は取れなかったら即座に失敗を返す。失敗したら自分の持っているロックを解放して再試行。
3. ロックを細分化しすぎない: そもそも1個で済むなら1個にまとめる。

チャレンジ課題