C言語でmutexを使いこなす！完全ガイド5ステップ

C言語のmutexを用いたプログラミングのイメージ図C言語
2023.07.25
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この記事では、プログラムの基礎知識を前提に話を進めています。

説明のためのコードや、サンプルコードもありますので、もちろん初心者でも理解できるように表現してあります。

基本的な知識があればカスタムコードを使って機能追加、目的を達成できるように作ってあります。

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はじめに

ようこそ、本日のガイドではC言語でmutexを使いこなす方法について深く探ります。

C言語の基本的な部分からmutexの概念、その実装方法、応用例、そして最終的にはそのカスタマイズ方法までを一緒に学びましょう。

この記事はプログラミング初心者にもわかりやすく解説するように心掛けています。

●C言語とmutexとは

○C言語の基本

C言語は、汎用的で効率的なプログラミング言語です。

直接的にシステムレベルの操作を行うことが可能であり、そのためOSや組み込みシステムの開発に広く利用されています。

C言語の基本を理解することは、mutexを効果的に使いこなすための鍵となります。

○mutexの基本

mutexとは、mutual exclusion（相互排他）の略で、多くの並行プログラミング環境で用いられます。

これは、複数のスレッドがデータを共有する際に、一度に一つのスレッドだけがそのデータにアクセスできるようにするためのものです。

これにより、データの整合性を保つことができます。

●C言語でmutexを使う方法

○mutexの初期化

C言語では、pthreadライブラリを使ってmutexを扱います。

まずはmutexを初期化する必要があります。

そのためのコードは次の通りです。

#include <pthread.h>

pthread_mutex_t mutex;

int main() {
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
}

このコードではpthreadライブラリを使ってmutexを初期化するコードを紹介しています。

この例ではpthread_mutex_t型のmutexを宣言し、pthread_mutex_init関数を使って初期化しています。

○mutexのロックとアンロック

次に、mutexをロック（取得）し、解除（解放）する方法について解説します。

pthread_mutex_lock(&mutex);
// critical section
pthread_mutex_unlock(&mutex);

このコードではmutexをロックし、その後解除する操作を行っています。

pthread_mutex_lock関数でmutexを取得し、その後pthread_mutex_unlock関数で解除します。

○サンプルコード1：基本的なmutexの使い方

mutexを使った基本的なプログラムの例を紹介します。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

pthread_mutex_t mutex;
int counter = 0;

void *threadFunc(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    counter++;
    printf("Counter: %d\n", counter);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_create(&thread1, NULL, threadFunc, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, threadFunc, NULL);
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

このコードではmutexを用いてcounter変数を増加させるコードを紹介しています。

この例では2つのスレッドがcounterを増加させる操作を行いますが、mutexを用いてその操作を排他的に行っています。

●mutexの応用例

○サンプルコード2：マルチスレッドでのmutexの使用

さらに進んだmutexの使用例として、マルチスレッド環境での使用例を見てみましょう。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

pthread_mutex_t mutex;
int counter = 0;

void *threadFunc(void *arg) {
    for(int i = 0; i < 1000000; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        counter++;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_create(&thread1, NULL, threadFunc, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, threadFunc, NULL);
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    printf("Final Counter: %d\n", counter);
    return 0;
}

このコードではmutexを用いてcounter変数を増加させるコードを紹介しています。

この例では2つのスレッドがそれぞれ1000000回ずつcounterを増加させる操作を行いますが、mutexを用いてその操作を排他的に行っています。

○サンプルコード3：条件変数と組み合わせたmutexの使用

mutexは条件変数と組み合わせて使用されることも多いです。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
int ready = 0;

void *threadFunc(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (!ready) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    }
    printf("Thread is now running\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);
    pthread_create(&thread, NULL, threadFunc, NULL);
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    ready = 1;
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    pthread_join(thread, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    return 0;
}

このコードでは条件変数とmutexを用いてスレッドの実行を制御するコードを紹介しています。

この例ではpthread_cond_wait関数を使って条件変数に信号が送られるまでスレッドの実行を停止し、pthread_cond_signal関数を使ってその信号を送っています。

これらのサンプルコードを実行すると、それぞれ想定通りの結果が得られます。

ただし、マルチスレッドの例ではmutexを使用しないとスレッド間でデータの競合が起きてしまうため、counterの最終値が2,000,000にならない可能性があります。

このように、mutexはデータの整合性を保つために非常に重要な役割を果たします。

●注意点と対処法

○デッドロックとは

mutexを使用する際に注意すべき問題の一つにデッドロックがあります。

これは二つ以上のプロセスまたはスレッドが互いに他方が保持するリソースを待ち続け、進行不能となる状態を指します。

○デッドロックの回避方法

デッドロックの回避方法の一つとして、リソースの順序付けがあります。

つまり、mutexを常に同じ順序でロックすることにより、デッドロックを避けることができます。

●カスタマイズ方法

○サンプルコード4：優先度逆転の問題への対処

mutexを使用するときに、優先度逆転という問題が発生する可能性があります。

これは、低優先度のスレッドがmutexをロックしているときに、高優先度のスレッドがそのmutexを待つ必要がある状況を指します。

その結果、中優先度のスレッドが実行を続け、高優先度のスレッドが必要以上に待たされるという問題が発生します。

これを防ぐためには優先度継承プロトコルが用いられます。

この問題を解決するためのコード例は次の通りです。

#include <pthread.h>

pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutex_t mutex;

int main() {
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    pthread_mutexattr_setprotocol(&attr, PTHREAD_PRIO_INHERIT);
    pthread_mutex_init(&mutex, &attr);
}

このコードでは優先度継承プロトコルを設定するコードを紹介しています。

この例ではpthread_mutexattr_setprotocol関数を用いてmutexに優先度継承プロトコルを設定しています。

まとめ

以上がC言語でのmutexの使い方、その応用例、注意点、そしてカスタマイズ方法についてのガイドでした。

これらの情報が皆様のプログラミングスキルの向上に役立つことを願っています。

さあ、あなたもC言語とmutexを使いこなし、より良いコードを書くことでデータの整合性を保ちましょう。