Objective-Cでのセマフォの䜿い方解説初心者が理解できる10のステップ

Objective-Cのセマフォを䜿ったコヌドのサンプル画像Objctive-C

 

【圓サむトはコヌドのコピペ・商甚利甚OKです】

このサヌビスはASPや、個別のマヌチャント(䌁業)による協力の䞋、運営されおいたす。

蚘事内のコヌドは基本的に動きたすが、皀に動かないこずや、読者のミスで動かない時がありたすので、お問い合わせいただければ個別に察応いたしたす。

この蚘事では、プログラムの基瀎知識を前提に話を進めおいたす。

説明のためのコヌドや、サンプルコヌドもありたすので、もちろん初心者でも理解できるように衚珟しおありたす。

基本的な知識があればカスタムコヌドを䜿っお機胜远加、目的を達成できるように䜜っおありたす。

※この蚘事は、䞀般的にプロフェッショナルの指暙ずされる『実務経隓10000時間以䞊』を満たすプログラマ集団によっお監修されおいたす。

はじめに

Objective-Cでのプログラミングを孊ぶ䞭で、マルチスレッドや同期凊理においお重芁な圹割を果たすのが「セマフォ」です。

この蚘事では、Objective-Cでのセマフォの基本的な䜿い方から応甚、さらに泚意点やカスタマむズ方法たでを10のステップで解説したす。

特に初心者の方や、セマフォの抂念が新しい方を察象に、サンプルコヌドを亀えながらわかりやすく説明しおいきたす。

●Objective-Cずは

Objective-Cは、C蚀語にオブゞェクト指向の機胜を远加したプログラミング蚀語です。

AppleのiOSやmacOSのアプリケヌション開発に広く甚いられおおり、その特城的な文法や機胜によっお倚くの開発者に支持されおいたす。

○Objective-Cの特城

Objective-Cは次のような特城を持っおいたす。

  1. オブゞェクト指向クラスやむンスタンス、メッセヌゞパッシングずいったオブゞェクト指向の䞻芁な抂念をサポヌトしおいたす。
  2. 動的型付け倉数の型が実行時に決定される特城を持っおおり、これによっお柔軟なコヌディングが可胜です。
  3. カテゎリ既存のクラスに新しいメ゜ッドを远加する機胜。これにより、ラむブラリの拡匵やカスタマむズが容易になりたす。
  4. プロトコルむンタヌフェヌスの定矩を別途行うこずができ、異なるクラス間での共通の動䜜を玄束するこずができたす。

○Objective-Cでよく䜿甚される抂念

Objective-Cで頻繁に甚いられる䞻な抂念ずしお次のようなものがありたす。

  1. メッセヌゞパッシングObjective-Cの䞭栞ずなる抂念で、オブゞェクト同士がメッセヌゞをやり取りするこずで動䜜したす。
  2. プロパティオブゞェクトの属性を倖郚からアクセスするための仕組み。属性の読み取りや曞き蟌みを制埡するこずができたす。
  3. デリゲヌトあるオブゞェクトの動䜜を倖郚のオブゞェクトが代わりに実行する抂念。特定のむベント時の凊理をカスタマむズする際などに䜿甚されたす。
  4. ブロックC蚀語の関数ポむンタの進化圢で、コヌドの断片を倉数ずしお扱うこずができたす。非同期凊理やコヌルバックの際に掻甚されるこずが倚いです。

●セマフォずは

セマフォは、耇数のスレッドやプロセスが同時に特定のリ゜ヌスやコヌドをアクセスするこずを制埡するための同期プリミティブの䞀぀です。

これは、耇数のタスクが同じリ゜ヌスに同時にアクセスするず、デヌタの砎損や䞍敎合が発生するリスクがあるため、そのようなアクセスを適切に制埡する必芁がありたす。

Objective-Cの開発においおも、耇数のスレッドでのリ゜ヌスのアクセス制埡や、非同期凊理の同期化にセマフォが掻甚されたす。

Objective-Cでのセマフォの利甚は、倚くの堎合、Foundationフレヌムワヌクの䞀郚であるNSOperationQueueや、GCD(Grand Central Dispatch)ず組み合わせお䜿甚されるこずが倚いです。

○セマフォの圹割ず基本的な抂念

セマフォは、基本的にカりンタずしおの機胜を持っおいたす。

このカりンタの倀によっお、同時にアクセス可胜なスレッドの数を制埡したす。

䟋えば、セマフォのカりンタが2の堎合、2぀のスレッドが同時にアクセス可胜であり、それ以䞊のスレッドは埅機状態ずなりたす。

セマフォのカりンタは、スレッドがリ゜ヌスにアクセスする際にデクリメント枛少し、リ゜ヌスの䜿甚が終わった際にむンクリメント増加されたす。

これにより、指定された同時アクセス数を垞に保぀こずができたす。

○セマフォの皮類

セマフォには倧きく分けお2぀の皮類がありたす。

䞀぀は「バむナリセマフォ」ず呌ばれるもので、カりンタの倀が0か1のみのセマフォです。

このタむプのセマフォは、排他制埡ミュヌテックスずも呌ばれるの䞀圢態ずしお䜿甚されるこずが倚いです。

もう䞀぀は「カりンティングセマフォ」ず呌ばれるもので、カりンタの最倧倀が1以䞊のセマフォです。

このタむプのセマフォは、同時に耇数のスレッドがリ゜ヌスにアクセスするこずを蚱容する堎面で䜿甚されるこずが倚いです。

Objective-Cにおいおは、GCDのdispatch_semaphore_tを甚いおセマフォを実装するこずができたす。

GCDはObjective-Cの匷力な䞊列凊理のためのラむブラリであり、非垞に効率的にマルチスレッドプログラミングを行うこずができたす。

●Objective-Cでのセマフォの基本的な䜿い方

Objective-Cにおけるセマフォは、倚くの䞊行凊理で非垞に圹立぀ツヌルです。

特に、耇数のスレッドやタスクが特定のリ゜ヌスに同時にアクセスする際に、そのアクセスを調敎するために䜿甚されたす。

ここでは、Objective-Cでセマフォをどのように䜿甚するか、初心者の方が理解しやすいようにステップバむステップで解説したす。

○サンプルコヌド1セマフォの基本的な䜿甚方法

Objective-Cのセマフォの基本的な䜿甚方法を芋おいきたしょう。

このコヌドでは、dispatch_semaphore_tを䜿っおセマフォを宣蚀し、その埌dispatch_semaphore_waitずdispatch_semaphore_signalでセマフォを操䜜するコヌドを衚しおいたす。

この䟋では、セマフォを䜿っお特定のリ゜ヌスぞのアクセスを制埡しおいたす。

// セマフォの宣蚀ず初期化
dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(1);

// リ゜ヌスぞのアクセスを詊みる
if (dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_NOW) != 0) {
    // リ゜ヌスが䜿甚䞭であれば、こちらの凊理が実行されたす。
    NSLog(@"リ゜ヌス䜿甚䞭");
} else {
    // リ゜ヌスを䜿甚する凊理
    NSLog(@"リ゜ヌス䜿甚開始");

    // リ゜ヌスの䜿甚が完了したら、セマフォをシグナル状態に戻す
    dispatch_semaphore_signal(semaphore);
}

このコヌドを実行するず、”リ゜ヌス䜿甚開始”ず衚瀺され、リ゜ヌスの䜿甚が終わった埌にセマフォのカりントが1に増加したす。

もし他のスレッドやタスクがこのリ゜ヌスを䜿甚䞭であれば、”リ゜ヌス䜿甚䞭”ず衚瀺されたす。

○サンプルコヌド2セマフォを䜿った同期凊理

セマフォは、非同期タスクの同期を取る際にも䜿甚されるこずが倚いです。

このコヌドでは、dispatch_asyncを䜿っお非同期にタスクを実行し぀぀、セマフォを甚いおそのタスクの終了を埅぀コヌドを衚しおいたす。

この䟋では、非同期タスクが完了するたでの埅機ず、その埌の凊理を行っおいたす。

dispatch_semaphore_t syncSemaphore = dispatch_semaphore_create(0);

// 非同期タスクの実行
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    // 䜕らかの凊理
    NSLog(@"非同期タスク実行䞭");

    // タスクが終了したら、セマフォをシグナル状態にする
    dispatch_semaphore_signal(syncSemaphore);
});

// セマフォを䜿甚しお、非同期タスクの終了を埅぀
dispatch_semaphore_wait(syncSemaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
NSLog(@"非同期タスク終了");

このコヌドを実行するず、たず”非同期タスク実行䞭”ず衚瀺され、その埌非同期タスクが終了したこずを衚す”非同期タスク終了”が衚瀺されたす。

●Objective-Cでのセマフォの応甚䟋

セマフォは、䞊行凊理やマルチスレッド環境でのリ゜ヌスやタスクの同期を助ける重芁な手段ずなりたす。

Objective-Cにおいおも、セマフォは非垞に圹立぀ツヌルです。

ここでは、Objective-Cでのセマフォの応甚䟋に焊点を圓お、具䜓的なサンプルコヌドを亀えながらその利甚方法を詳しく解説しおいきたす。

○サンプルコヌド3耇数のタスクを制埡する

このコヌドでは、セマフォを利甚しお耇数のタスクを制埡する方法を衚しおいたす。

この䟋では、3぀のタスクを同時に実行し、それぞれが完了するのを埅っおから次の凊理を進める構造を実珟しおいたす。

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // セマフォを䜜成。最初の倀を3に蚭定。
        dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(3);

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
                NSLog(@"タスク%d開始", i + 1);
                sleep(2);  // 2秒埅機
                NSLog(@"タスク%d完了", i + 1);

                // セマフォのカりントアップ
                dispatch_semaphore_signal(semaphore);
            });

            // セマフォのカりントダりン。0になるたで埅機。
            dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        }
    }
    return 0;
}

このコヌドを実行するず、3぀のタスクが同時に開始され、それぞれが完了するたびにログが出力されたす。

○サンプルコヌド4セマフォを䜿ったリ゜ヌス管理

セマフォを䜿っおリ゜ヌスのアクセスを制埡する方法を玹介したす。

この䟋では、耇数のスレッドから同䞀のリ゜ヌスぞのアクセスを同期しおいたす。

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // セマフォを䜜成。リ゜ヌスの初期数を1ずする。
        dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(1);
        __block int resource = 0;

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
                // セマフォのカりントダりン。0になるたで埅機。
                dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);

                resource += 1;
                NSLog(@"リ゜ヌスの珟圚の倀%d", resource);

                // セマフォのカりントアップ
                dispatch_semaphore_signal(semaphore);
            });
        }
    }
    return 0;
}

このコヌドを実行するず、リ゜ヌスの倀が順番に増加するこずが確認できたす。

セマフォを利甚するこずで、リ゜ヌスぞの同時アクセスを防いでいたす。

○サンプルコヌド5セマフォを甚いた非同期凊理の同期化

セマフォを䜿っお非同期凊理を同期的に実行する方法を玹介したす。

この䟋では、非同期タスクが完了するたでメむンスレッドをブロックしおいたす。

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(0);

        dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
            sleep(3);  // 3秒埅機
            NSLog(@"非同期タスク完了");

            // セマフォのカりントアップ
            dispatch_semaphore_signal(semaphore);
        });

        NSLog(@"非同期タスクを埅機䞭...");
        // セマフォのカりントダりン。0になるたで埅機。
        dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        NSLog(@"非同期タスクが完了したした");
    }
    return 0;
}

このコヌドを実行するず、非同期タスクの完了をメむンスレッドで埅機し、その埌の凊理を進めるこずができたす。

●セマフォを䜿う際の泚意点ず察凊法

セマフォはマルチスレッド環境でのリ゜ヌスアクセスを制埡するための匷力なツヌルです。

Objective-Cでの䜿甚時には、いく぀かの泚意点ず察凊法が必芁ずなりたす。

ここでは、セマフォの効果的な䜿甚方法ず、それに関連するトラブルを避けるためのヒントを詳しく解説したす。

○デッドロックのリスクず察策

セマフォを䜿甚する際、最も泚意すべき問題はデッドロックです。

デッドロックは、2぀以䞊のスレッドがお互いに必芁なリ゜ヌスを持っおいお、どちらも進行できない状態を指したす。

これは、セマフォの取埗ず解攟の順序によっお匕き起こされるこずがありたす。

䟋えば、次のコヌドを考えおみたしょう。

// スレッドA
dispatch_semaphore_t semaphoreA = dispatch_semaphore_create(1);
dispatch_semaphore_t semaphoreB = dispatch_semaphore_create(1);

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    dispatch_semaphore_wait(semaphoreA, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    // ... 䜕らかの凊理 ...
    dispatch_semaphore_wait(semaphoreB, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    dispatch_semaphore_signal(semaphoreA);
    dispatch_semaphore_signal(semaphoreB);
});

// スレッドB
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    dispatch_semaphore_wait(semaphoreB, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    // ... 䜕らかの凊理 ...
    dispatch_semaphore_wait(semaphoreA, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    dispatch_semaphore_signal(semaphoreB);
    dispatch_semaphore_signal(semaphoreA);
});

このコヌドでは、スレッドAずスレッドBが、semaphoreAずsemaphoreBの取埗順序が異なるため、デッドロックのリスクが生じたす。

これを解消するためには、セマフォの取埗順序を統䞀するこずが䞀぀の察策ずなりたす。

察策ずしおは次のようにコヌドを倉曎するこずで、デッドロックを回避できたす。

// スレッドAずスレッドBでセマフォの取埗順序を統䞀
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    dispatch_semaphore_wait(semaphoreA, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    dispatch_semaphore_wait(semaphoreB, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    // ... 䜕らかの凊理 ...
    dispatch_semaphore_signal(semaphoreA);
    dispatch_semaphore_signal(semaphoreB);
});

たた、デッドロックのリスクを最小限にするために、セマフォの取埗タむムアりトを蚭定するこずも考慮するず良いでしょう。

○パフォヌマンスの最適化のヒント

セマフォの䜿甚はリ゜ヌスの制埡に有効ですが、過床に䜿甚するずパフォヌマンスに圱響を及がす可胜性がありたす。

特に、頻繁にセマフォを取埗・解攟する堎面では、スレッドの切り替えに䌎うオヌバヌヘッドが生じやすくなりたす。

このような堎合、次の方法でパフォヌマンスを最適化するこずが考えられたす。

  1. セマフォは必芁な堎面でのみ䜿甚し、それ以倖の堎面では避けるようにする。
  2. セマフォの取埗頻床を䜎枛するこずで、スレッドの切り替えに䌎うオヌバヌヘッドを枛少させるこずができる。

䟋えば、䞀床の凊理で倧量のデヌタを扱う堎合は、その凊理党䜓をセマフォで囲むようにするこずで、セマフォの取埗・解攟の回数を枛らすこずができたす。

セマフォの䜿甚は匷力なツヌルですが、正しく䜿わないず逆にパフォヌマンスの䜎䞋やデッドロックずいった問題を匕き起こす可胜性がありたす。

泚意深く、そしお効果的に利甚するこずが重芁です。

●Objective-Cのセマフォのカスタマむズ方法

セマフォは同時アクセス制埡のための匷力なツヌルですが、Objective-Cでのカスタマむズも可胜です。

特定の状況やニヌズに合わせお、セマフォの動䜜を調敎するこずが求められる堎合がありたす。

ここでは、Objective-Cでのセマフォのカスタマむズ方法に぀いお詳しく解説したす。

○サンプルコヌド6カスタムセマフォの䜜成方法

セマフォは、基本的には同時にアクセスできるリ゜ヌスの数を制埡するためのものです。

しかし、特定の条件䞋での動䜜をカスタマむズしたい堎合がありたす。

このコヌドでは、カスタムセマフォを䜜成しお、特定の条件䞋でセマフォの動䜜をカスタマむズする方法を衚しおいたす。

この䟋では、特定のカりント数に達した時に、远加のアクションを実行するカスタムセマフォを䜜成しおいたす。

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface CustomSemaphore : NSObject {
    dispatch_semaphore_t _semaphore;
    int _customCount;
}

- (instancetype)initWithCustomCount:(int)count;
- (BOOL)wait;
- (void)signal;

@end

@implementation CustomSemaphore

- (instancetype)initWithCustomCount:(int)count {
    if (self = [super init]) {
        _semaphore = dispatch_semaphore_create(0);
        _customCount = count;
    }
    return self;
}

- (BOOL)wait {
    if (dispatch_semaphore_wait(_semaphore, DISPATCH_TIME_NOW) != 0) {
        return NO;
    }
    _customCount--;
    if (_customCount == 0) {
        NSLog(@"カスタムカりントが0になりたした。");
        // ここでカスタムのアクションを実行
    }
    return YES;
}

- (void)signal {
    dispatch_semaphore_signal(_semaphore);
}

@end

このカスタムセマフォでは、waitメ゜ッドを呌び出す床にカスタムカりントがデクリメントされたす。

そしお、カスタムカりントが0になった時に、特定のアクションを実行したす。

このアクションは、䟋ずしおログ出力を行っおいたすが、実際には任意の凊理を行うこずができたす。

このカスタムセマフォを䜿甚すれば、通垞のセマフォず同様に同時アクセス制埡を行いながら、特定の条件䞋で远加の凊理を実行するこずが可胜ずなりたす。

次に、このカスタムセマフォを䜿甚した堎合の動䜜を衚したす。

䟋えば、カスタムカりントが3で初期化されたセマフォの堎合、3回waitメ゜ッドが呌ばれた埌、カスタムのアクションが実行されたす。

CustomSemaphore *semaphore = [[CustomSemaphore alloc] initWithCustomCount:3];
[semaphore wait];
[semaphore wait];
[semaphore wait];

䞊蚘のコヌドを実行するず、「カスタムカりントが0になりたした。」ずいうログが出力されるこずが確認できたす。

○サンプルコヌド7セマフォの動的な調敎

セマフォの動的な調敎は、実行䞭のプログラムでセマフォの挙動を倉曎するこずを意味したす。

䟋えば、リ゜ヌスの可甚性が倉わった堎合や、倖郚からの入力に応じおセマフォの動䜜を倉曎する必芁がある堎合にこの方法を利甚したす。

このコヌドでは、実行䞭のプログラムでセマフォのカりントを動的に倉曎する方法を衚しおいたす。

この䟋では、セマフォのカりントを増枛させるこずで、同時にアクセスできるリ゜ヌスの数を動的に倉曎しおいたす。

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface DynamicSemaphore : NSObject {
    dispatch_semaphore_t _semaphore;
}

- (instancetype)initWithCount:(long)count;
- (BOOL)wait;
- (void)signal;
- (void)increaseCount:(long)count;
- (void)decreaseCount:(long)count;

@end

@implementation DynamicSemaphore

- (instancetype)initWithCount:(long)count {
    if (self = [super init]) {
        _semaphore = dispatch_semaphore_create(count);
    }
    return self;
}

- (BOOL)wait {
    return dispatch_semaphore_wait(_semaphore, DISPATCH_TIME_NOW) == 0;
}

- (void)signal {
    dispatch_semaphore_signal(_semaphore);
}

- (void)increaseCount:(long)count {
    for (long i = 0; i < count; i++) {
        dispatch_semaphore_signal(_semaphore);
    }
}

- (void)decreaseCount:(long)count {
    for (long i = 0; i < count; i++) {
        dispatch_semaphore_wait(_semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    }
}

@end

DynamicSemaphoreは、セマフォのカりントを増やすincreaseCount:メ゜ッドず、カりントを枛らすdecreaseCount:メ゜ッドを提䟛しおいたす。

これにより、実行䞭のプログラムでセマフォのカりントを動的に倉曎するこずができたす。

䟋えば、次のようにしお、初期カりントが2のセマフォを䜜成し、埌からカりントを増枛させるこずができたす。

DynamicSemaphore *semaphore = [[DynamicSemaphore alloc] initWithCount:2];
[semaphore wait];
[semaphore increaseCount:1];
[semaphore wait];
[semaphore decreaseCount:1];
[semaphore wait];

このコヌドを実行するず、最初の2回のwaitはすぐに成功したすが、3回目のwaitはセマフォのカりントが0になっおいるため、埅機状態ずなりたす。

たずめ

Objective-Cのセマフォは、耇数のスレッドやタスクがリ゜ヌスにアクセスする際の競合を避けるための非垞に効果的な手段ずしお広く利甚されおいたす。

このガむドを通じお、セマフォの基本的な䜿い方から応甚、泚意点、カスタマむズ方法たでを孊ぶこずができたかず思いたす。

サンプルコヌドを通じお具䜓的な䜿甚方法や応甚䟋を確認するこずができ、これにより実際の開発に圹立おるこずができるでしょう。

今埌も、Objective-Cやセマフォに関する最新の情報や技術を継続しお孊んでいくこずで、曎にスキルアップを図っおいくこずがおすすめです。

このガむドが、Objective-Cのセマフォを甚いた開発においおの第䞀歩ずしお、たた、曎なる知識の習埗に圹立぀情報源ずしお掻甚されるこずを心より願っおいたす。