マルチスレッドプログラミング

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マルチスレッドプログラミング (multi thread programming)とは、並列に処理を実行するためのプログラミングで、マルチスレッドによってプログラムのパフォーマンスを改善できます。

読み方

マルチスレッドプログラミング
まるちすれっどぷろぐらみんぐ
multi thread programming
まるちすれっどぷろぐらみんぐ

概要

マルチスレッドを使わずにC++でプログラムを書くと、上から下へプログラムが実行されます。並列に実行されないため、１行目が命令が終了するまで、次の行の処理ははじまりません。これは、シングルプロセス、シングルスレッドのプログラムと言われます。

プロセスは、１つ以上のスレッドを持ちます。「複数のスレッドを持つこと」をマルチスレッドを呼びます。

スレッドとは、プログラムの実行単位です。複数のスレッドを持つことで、処理Aと処理Bが同時に行えるようになります。複数のサーバに問い合わせを行うプログラムが、サーバAとサーバBに順番に問い合わせを行うよりも、たいていの場合は、同時（並列）に問い合わせを行うほうが、プログラムの実行時間は、短くなります。

マルチスレッドとマルチプロセスの違い

マルチスレッドプログラムとマルチプロセスには、いくつかの違いがあります。

  • １つのプロセスか、複数のプロセスか
  • メモリ空間が共有かどうか

マルチスレッドのプログラムは、１つのスレッドでコアダンプすると、プロセスが落ちるので、ほかのスレッドも道連れになります。マルチプロセスのプログラムは、プログラムでコアダンプしても(プログラムが強制終了しても) 、ほかのプロセスには影響がありません。

マルチスレッドは、シングルプロセスであるため、すべてのスレッドが同じメモリ空間にアクセスできます。そのため、ロックなどの処理が必要になります。 マルチプロセスの場合、プロセスごとに違うメモリ空間にマッピングされるため、データの共有は、プロセス間通信が必要になります。しかしながら、メモリのアクセスにロックなどの処理が不要です。

マルチプロセスプログラミングに比べ、マルチスレッドプログラミングのほうが、より高度なプログラミングスキルを要求されます。プログラムのデバッグも非常に難しくなります。

マルチスレッドとマルチコア

マルチスレッドのプログラムは、マルチコアCPUの環境で実行したほうが、スループットが上がります。非マルチスレッドなプログラム(シングルスレッド)は、マルチコア環境であっても、１つのコアしか利用できないため、１コア分のスループットしか出せません。

マルチスレッドプログラミングをするには

マルチスレッド/並列コンピューティングが進化しています。

マルチスレッドプログラミングをするには、以前は、pthread を利用されていました。その後、C++では、std::thread(boost::thread)などのスレッドライブラリが開発されました。

さらに C++11では、std::promise や std::asyncなどの非同期実行するための機能が提供されました。

OpenMP, Cilk Plus, OpenACC などにより、並列コンピューティングがより簡単になりました。プログラムにプリプロセッサディレクティブを用いて、プログラムを注釈することで、並列実行が可能になります。

pthreadは、非常に原始的です。新しいコンパイラが利用できるのであれば、std::threadや非同期実行の機能、もしくは、並列コンピューティングの機能を利用するのが良いでしょう。

マルチスレッドとコンパイラ

並列コンピューティング、マルチスレッド、非同期処理の最新の機能を利用するには、最新のC++コンパイラを利用しなければならないケースがあります。

関連項目

非同期処理のテンプレート

std::thread

std::thread メンバ関数
関数 説明
メンバ関数
std::thread::thread コンストラクタ。threadオブジェクトを作成します。
std::thread::~thread スレッドがjoinかdetachされている必要があります。スレッドオブジェクトを破棄します。
std::thread::operator= スレッドオブジェクトをmoveします。
オブザーバー
std::thread::joinable スレッドが合流可能であるかチェックします。
std::thread::get_id スレッドのIDを返します。
std::thread::native_handle スレッドハンドルを返します。
std::thread::hardware_concurrency 実装によってサポートされる同時スレッド数を返します。
操作
std::thread::join スレッドの終了を待ちます。
std::thread::detach スレッドハンドルから独立して実行するスレッドを許可します。
std::thread::swap スワップ
非メンバ関数
std::swap スワップ
カレントスレッドの管理
std::this_thread::yield_id 処理系に再スケジュールの機会を与えます。
std::this_thread::get_id スレッドIDを返します。
std::this_thread::sleep_for 指定した時間、現在のスレッドの実行を停止します。
std::this_thread::sleep_until 指定した時刻まで、現在のスレッドの実行を停止します。

mutex

mutex
mutexの種類 説明
std::mutex 非再帰的mutex
std::recursive_mutex 再帰的mutext
std::timed_mutex ロック関数でタイムアウトが可能な非再帰的mutex
std::recursive_timed_mutex ロック関数でタイムアウトが可能な再帰的mutex

ロッククラステンプレート

並列コンピューティング



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