[C++]POSIXスレッド標準(pthread)を使ったマルチスレッドプログラミング: 俺の砂箱

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2012年04月03日

[C++]POSIXスレッド標準(pthread)を使ったマルチスレッドプログラミング

今回はPOSIXスレッド標準(pthread.h)を利用したC++マルチスレッドプログラミング手法を紹介する。

下のサンプルソースは、二つのスレッド間(thread1, thread2)で共通の変数(count)を整合性を保ちながら利用(カウントアップ)する例である。

折角なので wait と signal の処理も盛り込んでみた。waitで待たされたスレッド(thread1)は、もう一つのスレッド(thread2)からのsignalにより待ち状態が解除される。

hoge.c

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h> // usleepを使うため

/**
 * 関数定義
 */
// スレッド関数1
void* threadFunc1(void* param);
// スレッド関数2
void* threadFunc2(void* param);


/**
 * グローバル変数
 */
// スレッド間で変数を保護するmutex
pthread_mutex_t mutex;
// スレッド間で状態を判断するcond
pthread_cond_t cond;
// スレッド間で共有してみる変数
int count = 0;


/**
 * メイン関数
 */
int main(int argc, char* argv[]) {

    // スレッド1識別変数の宣言
    pthread_t thread1;
    // スレッド2識別変数の宣言
    pthread_t thread2;


    printf("initializing mutex...\n");

    // mutex初期化
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);


    printf("initializing cond...\n");

    // cond初期化
    pthread_cond_init(&cond, NULL);


    printf("creating thread1...\n");

    // スレッド1の生成
    pthread_create(&thread1, NULL, threadFunc1, NULL);

    printf("creating thread2...\n");

    // スレッド2の生成
    pthread_create(&thread2, NULL, threadFunc2, NULL);

    printf("joining thread1...\n");

    // スレッド1の終了待ち
    pthread_join(thread1, NULL);

    printf("joining thread2...\n");

    // スレッド2の終了待ち
    pthread_join(thread2, NULL);
    
    
    printf("destroying mutex...\n");

    // mutex破棄
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    printf("mutex destroyed...\n");

    return EXIT_SUCCESS;
}


/**
 * スレッド関数1実装:
 * signalが来るまでwaitするスレッド。
 */
void* threadFunc1(void* param) {

    while (1) {
        
        // mutexロック
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        count++;
        
        printf("thread1: waiting... count=%d\n", count);
        
        // signal待ち
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        
        printf("thread1: go!\n");
        
        // mutexアンロック
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        
        usleep(10000);
    }

}

/**
 * スレッド関数2実装:
 * waitしているスレッドにシグナルを送信するスレッド。
 */
void* threadFunc2(void* param) {

    while (1) {
        
        // mutexロック
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        
        count++;
        
        printf("thread2: sending signal... count=%d\n", count);
        
        /**
         * wait中のスレッドに対してsignal送信。
         * 複数スレッドへのsignal送信は、pthread_cond_broadcast(&cond)を使う。
         */
        pthread_cond_signal(&cond);
        
        // mutexアンロック
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        
        usleep(5000);
    }
}

これをコンパイルするときは下のように -lpthread を指定する。

$ gcc pthread.c -lpthread

コンパイル出力された a.exe を実行すると、下のような結果が出力される。

$ a
initializing mutex...
initializing cond...
creating thread1...
creating thread2...
joining thread1...
thread1: waiting... count=1
thread2: sending signal... count=2
thread1: go!
thread2: sending signal... count=3
thread1: waiting... count=4
thread2: sending signal... count=5
thread1: go!
thread2: sending signal... count=6
thread1: waiting... count=7
thread2: sending signal... count=8
thread1: go!
thread2: sending signal... count=9
thread1: waiting... count=10
thread2: sending signal... count=11
thread1: go!
thread2: sending signal... count=12
thread1: waiting... count=13
thread2: sending signal... count=14
thread1: go!
thread2: sending signal... count=15
thread1: waiting... count=16
thread2: sending signal... count=17
thread1: go!
thread2: sending signal... count=18
thread1: waiting... count=19
thread2: sending signal... count=20
thread1: go!
thread2: sending signal... count=21
thread1: waiting... count=22
thread2: sending signal... count=23
thread1: go!
thread2: sending signal... count=24
thread1: waiting... count=25
thread2: sending signal... count=26
thread1: go!
thread2: sending signal... count=27
thread1: waiting... count=28
thread2: sending signal... count=29
thread1: go!
thread2: sending signal... count=30
thread1: waiting... count=31
thread2: sending signal... count=32
thread1: go!
thread2: sending signal... count=33
thread1: waiting... count=34
thread2: sending signal... count=35
thread1: go!
thread2: sending signal... count=36
thread1: waiting... count=37
thread2: sending signal... count=38
thread1: go!
thread2: sending signal... count=39
thread1: waiting... count=40
thread2: sending signal... count=41
thread1: go!
thread2: sending signal... count=42
thread2: sending signal... count=43
thread1: waiting... count=44
thread2: sending signal... count=45
thread1: go!

共通変数 count の操作(カウントアップ)が、ロック処理(pthread_mutex_lock)とアンロック処理(pthread_mutex_unlock)の間で実行されているので、二つのスレッド間で整合性が保たれ、正しくカウントアップされているのが分かる。

そして、thread1は、thread2からのGoサイン(pthread_cond_signal)が来るまで pthread_cond_wait で処理を待っているのも分かるはずだ。

signal送信側(thread2)は待機中スレッド(thread1)がwait中だろうが何だろうがシグナルを垂れ流す。上のログで、偶に sending signal... が2回連続して出力されているのはそのためである。

注意すべき点としては、pthread_cond_signal が一つのスレッドに対するsignal送信しか行わないということである。複数スレッドにまとめてsignal送信したい時は、pthread_cond_signal ではなく、 pthread_cond_broadcast を利用すること。