プログラミング

C言語の条件付き変数解説

最終更新： 22/03/2025
1 分の読み

第10章: 条件付き変数とC言語におけるプロセス間の同期問題の解決

C言語におけるマルチスレッドプログラミングは、効率的なプログラムを作成するために重要な技術です。しかし、スレッド間での競合状態やデータの一貫性を確保するためには、適切な同期機構を利用する必要があります。ここでは、条件付き変数（Condition Variables）を用いて、プロセス間の同期問題をどのように解決するかについて説明します。

条件付き変数とは？

条件付き変数は、スレッド間での状態変化を通知し、他のスレッドがその通知を待つために使用される同期プリミティブの一つです。具体的には、あるスレッドが条件が整うのを待つ間に、他のスレッドが条件を満たしたときに通知を行います。この機能は、特に複数のスレッドが共有資源にアクセスする際に有効です。

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条件付き変数の基本概念

条件付き変数は通常、以下の3つの基本操作を持ちます：

  1. 待機 (Wait)
    スレッドが条件付き変数を待つ操作です。待機中は、スレッドはロックを解除して、他のスレッドが実行できるようにします。

  2. 通知 (Notify)
    条件が満たされたことを示すために、他のスレッドに通知を送る操作です。

  3. 全通知 (Notify All)
    待機している全てのスレッドに通知を送る操作です。

条件付き変数の使い方

C言語では、条件付き変数は主に pthread ライブラリを使用して実装されます。このライブラリには、条件付き変数を操作するための関数が提供されています。以下に、基本的な使い方を示します。

ヘッダーファイル

条件付き変数を使用するためには、以下のヘッダーファイルをインクルードする必要があります。

c
#include

1. 条件付き変数の宣言と初期化

条件付き変数は、pthread_cond_t 型の変数として宣言され、pthread_cond_init 関数で初期化されます。

c
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

ここで、cond が条件付き変数、mutex がミューテックスロックです。

2. 待機操作

スレッドが条件付き変数を待つ場合、pthread_cond_wait 関数を使用します。この関数は、スレッドが条件を満たすまで待機します。待機中は、指定したミューテックスロックが解放され、他のスレッドが実行できるようになります。

c
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (condition_not_met) {
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);

上記のコードでは、条件が満たされるまでスレッドは待機します。条件が満たされた場合、スレッドは待機を終了し、次にコードを実行します。

3. 通知操作

他のスレッドが条件を満たした場合、pthread_cond_signal 関数を使用して、待機中のスレッドに通知を送ることができます。この通知を受けたスレッドは、再びミューテックスを取得して実行を続けます。

c
pthread_mutex_lock(&mutex);
condition_met = true;  // 条件を満たす
pthread_cond_signal(&cond);  // 待機中のスレッドに通知
pthread_mutex_unlock(&mutex);

4. 全通知操作

もし複数のスレッドが同じ条件で待機している場合、pthread_cond_broadcast を使って全ての待機中のスレッドに通知を送ることができます。

c
pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_cond_broadcast(&cond);  // 全てのスレッドに通知
pthread_mutex_unlock(&mutex);

プロセス間の同期問題を解決する

条件付き変数は、プロセス間の同期を解決するために非常に役立ちます。以下の問題に対して、条件付き変数を使用する方法を具体的に見ていきます。

1. バッファの管理 (Producer-Consumer問題)

生産者（Producer）スレッドと消費者（Consumer）スレッドが、共有バッファにデータを挿入したり取り出したりする場合、条件付き変数を使って、バッファが満杯または空でない場合にスレッドを待機させ、データが追加された場合に通知を送ることができます。

c
// 生産者スレッド
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (buffer_is_full) {
    pthread_cond_wait(&cond_full, &mutex);
}
// バッファにデータを追加
pthread_cond_signal(&cond_empty);  // 消費者に通知
pthread_mutex_unlock(&mutex);

// 消費者スレッド
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (buffer_is_empty) {
    pthread_cond_wait(&cond_empty, &mutex);
}
// バッファからデータを取り出す
pthread_cond_signal(&cond_full);  // 生産者に通知
pthread_mutex_unlock(&mutex);

2. リソースの競合解決

複数のスレッドが同じリソースにアクセスしようとする場合、条件付き変数を使ってリソースの解放を待機し、リソースが空いている場合にアクセスを許可することができます。これにより、デッドロックを防ぎ、スレッド間のリソース競合を解消します。

c
// リソース管理
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (resource_not_available) {
    pthread_cond_wait(&resource_cond, &mutex);
}
// リソースを使用
pthread_cond_signal(&resource_cond);  // 他のスレッドに通知
pthread_mutex_unlock(&mutex);

まとめ

条件付き変数は、C言語におけるスレッド同期問題を解決する強力なツールです。適切に使用することで、プロセス間のリソース競合や待機状態を管理し、効率的でデッドロックのないプログラムを作成することができます。pthread_cond_wait、pthread_cond_signal、pthread_cond_broadcast の操作を理解し、正しく実装することが、同期を保ちながら並列処理を行う上で重要なポイントとなります。

最終更新： 22/03/2025
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