Objective-Cでマルチスレッドの方法10選

はじめに

プログラミングにおいてマルチスレッド処理は、現代のマルチコアプロセッサを活用する上で欠かせないテクニックです。

特にObjective-Cを使用するiOSアプリ開発では、ユーザーインターフェースのスムーズな動作や計算資源の効率的な利用を実現するためにマルチスレッド処理が不可欠となります。

この記事では、Objective-Cでのマルチスレッド処理の概要から、具体的な実装方法までを初心者にもわかりやすくご紹介します。

●マルチスレッドとは？

マルチスレッドとは、複数のスレッドを同時に実行し、タスクを並行処理することで、アプリケーションのパフォーマンスを向上させる技術です。

Objective-Cでは、NSThreadやNSOperationQueue、GCD（Grand Central Dispatch）などのフレームワークを利用してマルチスレッドプログラミングを行います。

○マルチスレッドの基本

Objective-Cにおけるマルチスレッドの基本は、複数のスレッドが各々独立して作業を進めることです。

こうすることで、一つのスレッドがブロッキング操作（例えばネットワークリクエストなど）によって停止した場合でも、他のスレッドが独立して作業を続けることができます。

これは、特にリソースを要する処理や長時間かかる処理を行う際に有用です。

○マルチスレッドのメリットとは

マルチスレッドのメリットは多岐にわたります。

第一に、CPUリソースの利用効率が高まります。

マルチコアプロセッサ上でマルチスレッドを活用することで、各コアが並行して処理を行い、全体の処理速度を向上させることができます。

第二に、ユーザーエクスペリエンスの向上です。

重い処理をバックグラウンドスレッドで実行し、メインスレッドをUI更新用に確保することで、アプリが応答性高く動作するようになります。

最後に、タスクの管理がしやすくなるという点も挙げられます。

関連するタスクを同じスレッドで管理することで、コードの見通しが良くなり、バグの発生を防ぐことにも繋がります。

●Objective-Cでのマルチスレッド実装方法

マルチスレッド処理は、現代のプログラミングにおいては不可欠な要素です。Objective-Cを使用する際も例外ではありません。

この言語においてマルチスレッドを実装する方法は、主にNSThread、NSOperationとNSOperationQueue、そしてGrand Central Dispatch (GCD)を使うものがあります。

それぞれの方法は独自のメリットと使用シナリオがあり、プロジェクトの要件に合わせて最適な手法を選択する必要があります。

○基本的なNSThreadの使用

NSThreadはObjective-Cでマルチスレッドを扱う最も基本的なクラスの一つです。

新しいスレッドを作成し、それを制御することが可能です。

しかし、NSThreadを直接使用すると、スレッドの管理が煩雑になる場合が多く、スレッドのライフサイクルを開発者が直接管理する必要があるため、他の高レベルのAPIと比較してあまり推奨されません。

○NSOperationとNSOperationQueueの組み合わせ

NSOperationとNSOperationQueueは、より抽象化された形でマルチスレッド処理を行います。

NSOperationは単一のタスクを表し、NSOperationQueueはこれらのオペレーションを管理し、非同期的に実行するためのシステムを提供します。

この方式では、複数のオペレーションを簡単にキューに追加し、その実行を制御することができます。

○GCD（Grand Central Dispatch）の利用

GCDは、マルチコアとマルチスレッドを活用するための技術で、Objective-CだけでなくSwiftでも利用される強力な技術です。

ディスパッチキューを使って、タスクを簡単かつ効率的にシステムのスレッドプールに送出することができます。

コードをシンプルに保ちつつ、非同期処理を行うことで、パフォーマンスの向上が期待できます。

●マルチスレッドの詳細なサンプルコード

マルチスレッドプログラミングは、アプリケーションのパフォーマンスを向上させる重要な手法です。

特にObjective-Cのような言語では、複数のスレッドを使用して、複数の操作を同時に実行することが可能です。

これにより、ユーザーインターフェイスがスムーズに動作し続ける間に、リソースを集中して処理ができるというメリットがあります。

ここでは、Objective-Cを用いたマルチスレッドプログラミングの具体的なコード例とその解説を行います。

○サンプルコード1：NSThreadを使った基本的な実装

Objective-CでNSThreadを使用すると、新しいスレッドを生成し、そこで処理を行わせることができます。

下記のサンプルコードでは、新しいスレッド上で簡単なループ処理を実行する方法を表しています。

#import <Foundation/Foundation.h>

// 新しいスレッドで実行されるメソッド
void* runNewThread(void* data) {
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        NSLog(@"%@\n", [NSThread currentThread]);
        sleep(1); // スレッドを1秒間スリープ状態にする
    }
    return NULL;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // スレッドを生成し、startメソッドを呼び出して実行を開始する
        NSThread* myThread = [[NSThread alloc] initWithTarget:[NSValue valueWithPointer:runNewThread] selector:@selector(invokeWithPointer:) object:nil];
        [myThread start]; // スレッドを開始
    }
    return 0;
}

このコードでは、runNewThread 関数が新しいスレッドで実行される処理を定義しています。

ここでは5回のループを実行し、現在のスレッド情報をログに出力した後、sleep 関数を使って1秒間の休止を入れています。

main 関数内でスレッドを生成し、start メソッドを呼び出すことによってスレッドの実行を開始します。

このサンプルコードを実行すると、新しいスレッドが生成され、指定されたメソッドが背景で実行されるため、メインスレッドはそれを待つことなく次の処理を続けることができます。

これにより、アプリケーションの応答性が大幅に向上します。

○サンプルコード2：NSOperationでのタスク処理

NSOperationとNSOperationQueueを使うと、より高度なマルチスレッド処理が行えます。

これにより、タスクの実行状態の監視やキャンセル、依存関係の管理などが容易になります。

下記のサンプルコードは、NSOperationを継承したサブクラスでのカスタムオペレーションの作成と、それをNSOperationQueueに追加する一連の流れを表しています。

#import <Foundation/Foundation.h>

// NSOperationを継承したカスタムオペレーションクラスの宣言
@interface MyOperation : NSOperation
@end

@implementation MyOperation

// 'main' メソッドはオペレーションが実行する処理を定義
- (void)main {
    @autoreleasepool {
        if (self.isCancelled) return; // オペレーションがキャンセルされていないかチェック

        // 何かの重い処理をする想定
        NSLog(@"Operation started");
        sleep(3); // 仮の重い処理として3秒スリープ
        NSLog(@"Operation finished");
    }
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSOperationQueue* queue = [[NSOperationQueue alloc] init]; // オペレーションキューを生成
        MyOperation* operation = [[MyOperation alloc] init]; // カスタムオペレーションを生成
        [queue addOperation:operation]; // オペレーションをキューに追加
    }
    return 0;
}

MyOperation クラスでは、実行したいタスクをmain メソッド内に記述しています。

この例では、単純なスリープを通じて時間のかかる処理を模倣していますが、実際にはここにデータの処理や計算などのコードが入るでしょう。

main 関数内でこのオペレーションをNSOperationQueueに追加することによって、オペレーションが非同期で実行されます。

このコードを実行することによって、MyOperation インスタンスが処理を行う間にメインスレッドは別の作業を進めることができ、複数のタスクを効率的に管理することができます。

これはObjective-Cにおけるマルチスレッド処理の強力な例示と言えます。

○サンプルコード3：GCDでの非同期処理

Grand Central Dispatch（GCD）は、Objective-Cでのマルチスレッドプログラミングにおいて、シンプルで強力なAPIを提供します。

GCDを利用することで、簡単に非同期処理を実装することが可能です。

下記のサンプルコードでは、GCDを使って非同期に重い処理をバックグラウンドで実行し、その後メインスレッドでUIの更新を行う一連の流れを表しています。

// 非同期処理をするためのキューを作成します。
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);

// 非同期処理をキューに追加します。
dispatch_async(queue, ^{
    // 重い処理をバックグラウンドで実行します。
    // 例: データのダウンロード、画像の処理など
    NSString *data = @"重い処理をするデータ";
    NSLog(@"非同期処理中: %@", data);

    // 重い処理が完了した後、メインキューにUI更新を依頼します。
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
        // UIの更新はメインスレッドで実行します。
        NSLog(@"メインスレッドでのUI更新");
    });
});

このコードでは、dispatch_get_global_queueを使ってデフォルトの優先順位でグローバルに利用可能なキューを取得しています。

この例では、データの処理やダウンロードなどの重い処理を模しています。

実際にこの処理が終了した後、dispatch_get_main_queueを用いてメインスレッドにUIの更新を依頼しています。

このパターンは、iOSアプリで非同期処理を行いつつ、完了後にユーザーインターフェースを更新する際に非常に一般的です。

このコードの実行により、最初にコンソールには「非同期処理中: 重い処理をするデータ」と表示され、その処理が終了したあとに「メインスレッドでのUI更新」と表示されることが期待されます。

これにより、アプリケーションがフリーズすることなくバックグラウンドで処理を完了できることがわかります。

○サンプルコード4：GCDでのグループ操作

GCDには、複数の非同期タスクが全て完了したことを検知し、それらに基づいて何らかの処理を行う機能があります。

dispatch_group_tを使用することで、グループ内の複数の非同期処理の完了を待ち合わせ、全ての処理が終了した時点で通知を受け取ることができます。

// グループを作成します。
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();

// 非同期処理をグループに追加します。
dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH, 0), ^{
    // ここに処理1を書きます
    NSLog(@"処理1を実行");
});

dispatch_group_async(group, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW, 0), ^{
    // ここに処理2を書きます
    NSLog(@"処理2を実行");
});

// すべての処理が完了したことを検知します。
dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
    // ここにすべての処理が完了した後に実行したいコードを書きます
    NSLog(@"すべての処理が完了");
});

このサンプルコードでは、高優先順位のキューと低優先順位のキューに2つの処理を追加しています。

dispatch_group_async関数は、指定されたグループに対して非同期処理を追加するもので、グループに追加されたすべての処理が完了したことをdispatch_group_notify関数で検知しています。

この処理が呼び出されると、「すべての処理が完了」というログがメインスレッドで出力されることになります。

●マルチスレッドの応用例

マルチスレッドプログラミングは、アプリケーションのパフォーマンス向上や応答性の改善に役立ちます。

Objective-Cでは、複数のスレッドを活用して、ユーザーインターフェイスのスムーズな操作やリソースを要するタスクの効率的な処理が可能になります。

○サンプルコード5：UIの応答性を高める

Objective-CでUIの応答性を高めるためには、重たい処理をメインスレッドから分離して実行することが重要です。

下記のコードは、背景で画像をダウンロードするシンプルな例を表しています。

// メインスレッドでUIを更新するためのメソッド
- (void)updateUserInterface:(UIImage *)image {
    // UIImageViewに画像をセットする
    self.imageView.image = image;
}

// バックグラウンドスレッドで画像をダウンロードするためのメソッド
- (void)downloadImageInBackground {
    // URLから画像をダウンロードするコード
    NSURL *imageURL = [NSURL URLWithString:@"http://example.com/image.png"];
    NSData *imageData = [NSData dataWithContentsOfURL:imageURL];
    UIImage *image = [UIImage imageWithData:imageData];

    // ダウンロード後、メインスレッドにスイッチして画像をセットする
    [self performSelectorOnMainThread:@selector(updateUserInterface:) withObject:image waitUntilDone:NO];
}

// 画像ダウンロードの実行を開始する
- (void)startDownload {
    [self performSelectorInBackground:@selector(downloadImageInBackground) withObject:nil];
}

このコードではdownloadImageInBackgroundメソッドでバックグラウンドで画像をダウンロードし、ダウンロード完了後にupdateUserInterface:をメインスレッドで呼び出しています。

この処理により、画像のダウンロード中もUIがフリーズすることなく、他の操作を続けることができます。

この方法の利用により、ダウンロード処理が完了した際にUIImageViewに画像が表示されます。

ユーザーはダウンロードの間もアプリをスムーズに使用でき、応答性の高いアプリケーション体験が実現されます。

○サンプルコード6：バックグラウンドでのデータ処理

バックグラウンドでデータを処理する例として、下記のコードは複数のファイルを圧縮する処理を行います。

// バックグラウンドでファイルを圧縮するメソッド
- (void)compressFilesInBackground {
    NSArray *paths = @[@"path/to/file1.txt", @"path/to/file2.txt", @"path/to/file3.txt"];

    // バックグラウンドでファイル圧縮を行う
    for (NSString *path in paths) {
        // ここに圧縮の詳細なコードを書く
        NSLog(@"ファイルを圧縮しています: %@", path);
        // 圧縮処理の想定コード
    }

    // 圧縮が完了したことをユーザーに通知する
    NSLog(@"全てのファイルの圧縮が完了しました。");
}

このコードでは、特定のファイルパス配列に対して、それぞれのファイルをバックグラウンドで圧縮しています。

圧縮処理自体は実際の圧縮アルゴリズムに応じて追加する必要があります。

処理完了後には、ログを出力して全ての処理が終了したことを通知しています。

実際のアプリケーションでは、この圧縮処理の終了後にユーザーインターフェースに通知を表示したり、圧縮が必要なファイルが更に多い場合は、処理をキューに入れて順番に実行するようにすることも可能です。

○サンプルコード7：高度な同期処理

アプリケーション内で複数のタスクが同時に発生すると、リソースの競合やデータの不整合が起こるリスクがあります。

同期処理を適切に行うことで、これらの問題を避けることができます。

下記のコードは、Objective-Cで同期処理を行う一つの方法を表しています。

// ミューテックスを用いた同期処理のサンプルコード
- (void)performThreadSafeActions {
    @synchronized(self) {
        // スレッドセーフな操作を行うコード
        NSLog(@"安全にデータ操作を行っています。");
        // 安全なデータ操作の仮想コード
    }
}

// スレッドセーフな操作を実行するメソッドの呼び出し
- (void)startSafeOperation {
    [self performSelectorInBackground:@selector(performThreadSafeActions) withObject:nil];
}

このコードの@synchronizedブロックは、特定のオブジェクトに対するスレッドセーフな操作を保証するために使用されます。

selfオブジェクトに対して排他的に実行されるため、同時に同じオブジェクトにアクセスする他のスレッドは待たされます。

●マルチスレッドの注意点

マルチスレッドプログラミングは、アプリケーションの性能を高めるために重要な技術ですが、誤った使用は逆効果になることもあります。

スレッドを適切に管理しないと、データの不整合やクラッシュの原因になることがあります。

特にObjective-Cでは、マルチスレッドの実装が直感的ではないため、さらに注意が必要です。

マルチスレッドの実行環境では、複数のスレッドが同時に動作し、共有されるリソースへのアクセスを競合する可能性があるためです。

ここでは、マルチスレッド環境で頻出する問題点について、その原因と回避策を解説します。

○デッドロックとは？

デッドロックは、二つ以上のスレッドが互いの処理完了を無限に待ち続ける状態を指します。

これはスレッドがリソースを排他的にロックし、別のスレッドがそのロックを待つ構造で起こりえます。

Objective-Cでデッドロックを回避するためには、リソースへのアクセス順序を統制するか、タイムアウトを設定する等の方法が考えられます。

プログラミングにおいてデッドロックを回避するには、リソースへの要求を一定の順序で行うことが効果的です。

また、NSThreadやNSLockクラスを使用する際には、デッドロックを避けるために十分な設計を心がける必要があります。

例えば、あるリソースが別のスレッドによって既に使用されている場合は、そのスレッドが処理を完了するまで待機するか、または他のリソースへのアクセスに切り替えることが重要です。

○レースコンディションとその対策

レースコンディションは、複数のスレッドがデータを同時に読み書きする際に生じる問題で、結果が非決定的かつ予期せぬ挙動を引き起こすことがあります。

Objective-Cでは、@synchronizedディレクティブを使用することで、スレッド間のレースコンディションを緩和できます。

このディレクティブは指定されたオブジェクトに対して排他制御のブロックを作成し、一度に一つのスレッドだけがそのブロック内のコードを実行できるようにします。

例として、共有されたカウンタの値を増加させる単純な処理を考えます。

この場合、カウンタの値を増やす操作は原子的ではないため、複数のスレッドがほぼ同時にこの操作を行うと、予期しない結果を引き起こす可能性があります。

したがって、カウンタ更新処理を@synchronizedブロックで囲むことで、同時アクセスを制限し、レースコンディションを防ぐことが可能になります。

これにより、一度に一つのスレッドのみがカウンタの値を変更できるため、データの整合性が保たれます。

●マルチスレッドの対処法

マルチスレッドプログラミングは、同時に複数の処理を実行する強力な方法ですが、正しく管理しないと予期せぬ問題やバグを引き起こす原因となります。

ここでは、マルチスレッドの環境で発生する可能性のある問題と、それらの問題を回避または修正するための対処法について掘り下げます。

Objective-Cにおいてマルチスレッドを使用する場合、スレッド間でのデータ共有、リソースアクセスの同期、および並行実行の管理に特に注意が必要です。

これらの問題を解決するためには、スレッドセーフなプログラミング、ロックの使用、適切なキューの選択などの技術が不可欠です。

○サンプルコード8：デッドロックの回避

Objective-Cでのデッドロック回避のための一般的な戦略は、スレッドを正しく同期させることにあります。

デッドロックは、複数のスレッドがお互いに必要とするリソースのロックを待っている状態で発生します。

これを避けるために、開発者はロックの順序、ロックの時間の最小化、および条件変数を使用することでリスクを軽減できます。

下記のサンプルコードは、Objective-CでNSThreadを使用してデッドロックを回避する方法を表しています。

// メインスレッドで行う作業
- (void)mainThreadMethod {
    @synchronized(self) {
        // ここでメインスレッドのロジックを実行
        NSLog(@"メインスレッドがロックを保持");

        [self performSelectorInBackground:@selector(backgroundThreadMethod) withObject:nil];

        // ここでメインスレッドのロジックを続行
    }
}

// バックグラウンドスレッドで行う作業
- (void)backgroundThreadMethod {
    @synchronized(self) {
        // ここでバックグラウンドスレッドのロジックを実行
        NSLog(@"バックグラウンドスレッドがロックを保持");
    }
}

このコードでは、@synchronizedブロックを使って同じオブジェクト（この場合はself）に対するロックを確保しています。

メインスレッドとバックグラウンドスレッドは共にselfをロックしようとしますが、@synchronizedブロックによって一度に一つのスレッドのみがオブジェクトにアクセスできるため、デッドロックは発生しません。

この例では、メインスレッドが最初にロックを取得し、その後でバックグラウンドスレッドが実行されます。

このコードを実行すると、メインスレッドが先にロックを取得し、バックグラウンドスレッドが後でロックを取得することにより、デッドロックが発生せずに両方のスレッドが安全に作業を完了できます。

ログ出力では、それぞれのスレッドがロックを保持していることが確認できます。

○サンプルコード9：スレッドセーフなコーディング

スレッドセーフなコーディングは、データの整合性を維持しながら複数のスレッドが同時に実行されることを可能にするプログラミング手法です。

これは特に共有されるデータ構造やオブジェクトがある場合に重要です。

スレッドセーフなコードを書くためには、アトミック操作、ロック、スレッドセーフなコレクションの使用などのテクニックを駆使します。

ここでは、Objective-Cでスレッドセーフな配列へのアクセスを行うサンプルコードを紹介します。

// スレッドセーフな配列へのアクセスを提供するクラス
@interface ThreadSafeArray : NSObject {
    NSMutableArray *array;
    dispatch_queue_t accessQueue;
}

- (void)addElement:(id)element;
- (id)removeLastElement;
- (NSUInteger)countOfElements;

@end

@implementation ThreadSafeArray

- (instancetype)init {
    if (self = [super init]) {
        array = [NSMutableArray array];
        // シリアルディスパッチキューを作成
        accessQueue = dispatch_queue_create("com.example.ThreadSafeArray", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    }
    return self;
}

// 要素を追加するメソッド
- (void)addElement:(id)element {
    // キューで同期させながらアクセス
    dispatch_sync(accessQueue, ^{
        [array addObject:element];
    });
}

// 最後の要素を削除するメソッド
- (id)removeLastElement {
    __block id element = nil;
    dispatch_sync(accessQueue, ^{
        if ([array count] > 0) {
            element = [array lastObject];
            [array removeLastObject];
        }
    });
    return element;
}

// 要素数を返すメソッド
- (NSUInteger)countOfElements {
    __block NSUInteger count;
    dispatch_sync(accessQueue, ^{
        count = [array count];
    });
    return count;
}

@end

このサンプルコードでは、dispatch_queue_tを使用して配列へのアクセスを同期させています。

dispatch_sync関数は、提供されたブロックがキューに追加された順序で実行されることを保証します。

これにより、配列へのアクセスがスレッド間で安全になります。

このパターンは、共有リソースへのアクセスを管理する際の典型的なアプローチです。

●マルチスレッドのカスタマイズ方法

マルチスレッド処理はアプリケーションのパフォーマンスを向上させる重要な手法です。

Objective-Cで書かれたiOSやmacOSのアプリケーションにおいて、Grand Central Dispatch（GCD）やNSOperationQueueなどを用いた非同期処理はよく見られます。

これらの技術を使用することで、メインスレッドをブロックせずにバックグラウンドで重い処理を行うことができます。

カスタマイズはマルチスレッド処理をさらに最適化するために利用され、特定の処理の実行優先度を調整したり、同時に実行するタスクの数を制限することでリソースの使用をコントロールすることが可能になります。

マルチスレッド処理をカスタマイズする際のテクニックには、特定のスレッドに特定のタスクを割り当てる「アフィニティ設定」や、スレッドプールのサイズを動的に調整することでリソースの消費を最適化する方法などがあります。

また、実行待ちのタスクが多すぎる場合には、キューイングされたタスクの優先順位を変更して重要なタスクを先に処理することも有効です。

○サンプルコード10：GCDのキュー優先順位のカスタマイズ

GCDでは、ディスパッチキューを作成する際に優先順位を設定できます。

これにより、システムがタスクの実行優先度を認識し、リソースの割り当てを適切に管理できるようになります。

ここでは、GCDのキューの優先順位をカスタマイズするサンプルコードを紹介します。

// 優先順位の高いディスパッチキューを作成します。
dispatch_queue_t highPriorityQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH, 0);
// 優先順位の低いディスパッチキューを作成します。
dispatch_queue_t lowPriorityQueue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW, 0);

// 高優先順位のキューにタスクを非同期で追加します。
dispatch_async(highPriorityQueue, ^{
    // ここに優先度の高いタスクを実装します。
    NSLog(@"高優先度のタスクを実行中");
});

// 低優先順位のキューにもタスクを非同期で追加します。
dispatch_async(lowPriorityQueue, ^{
    // ここに優先度の低いタスクを実装します。
    NSLog(@"低優先度のタスクを実行中");
});

このコードでは、dispatch_get_global_queue関数を使って異なる優先順位のグローバルキューを取得しています。

この例では、DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGHとDISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOWを指定して、高優先度と低優先度のキューをそれぞれ作成し、タスクを追加しています。

実行すると、システムは自動的に高優先度のタスクを優先して処理するため、より重要な処理を先に行いたい場合に便利です。

まとめ

Objective-Cでマルチスレッド処理を実装する方法は多岐にわたります。

この記事では、NSThread、NSOperationとNSOperationQueue、そしてGCD（Grand Central Dispatch）を利用した基本的なマルチスレッドの実装方法を10の異なるアプローチを用いて解説しました。

それぞれの方法は、アプリケーションの要求に応じて最適なものを選ぶことが重要です。

本記事で提供した知識とサンプルコードが、読者の皆さんのプログラミングスキルの向上と、マルチスレッド処理の理解の助けとなることを願っています。