mutex ロックのコード例 (マルチスレッドのプログラミング)

マルチスレッドのプログラミング

mutex ロックのコード例

例 4-1 に、mutex ロックを示すコードの一部を示します。

例 4-1 mutex ロックの例

#include <pthread.h>

pthread_mutex_t count_mutex;
long long count;

void
increment_count()
{
	    pthread_mutex_lock(&count_mutex);
    count = count + 1;
	    pthread_mutex_unlock(&count_mutex);
}

long long
get_count()
{
    long long c;
    
    pthread_mutex_lock(&count_mutex);
	    c = count;
    pthread_mutex_unlock(&count_mutex);
	    return (c);
}

例 4-1 の 2 つの関数は、相互排他 (mutex) ロックをそれぞれ別の目的で使用しています。increment_count() 関数は、相互排他ロックによって共有変数の原子的操作による更新を保証しています。get_count() 関数は、相互排他ロックによって 64 ビット値の count が原子的に読み取られるようにしています。32 ビットアーキテクチャでは、long long は実際には 2 つの 32 ビット値として処理されます。

整数はほとんどのマシンで共通のワードサイズであるため、整数値の読み取りは原子操作です。

ロック序列の使用

同時に 2 つのリソースをアクセスすることがあります。一方のリソースを使用しているとき、もう一方のリソースも必要となる場合があります。2 つのスレッドが同じ 2 つのリソースを要求しようとして両者が異なる順序で、対応する相互排他ロックを獲得しようとする場合に問題が生じることがあります。たとえば、2 つのスレッドがそれぞれ mutex の 1 と 2 をロックした場合、次に各スレッドが互いにもう一方の mutex をロックしようとするとデッドロックが発生します。例 4-2 に、デッドロックが発生する場合のシナリオを示します。

例 4-2 デッドロック

スレッド 1	スレッド 2
`pthread_mutex_lock(&m1);` /* リソース 1 を使用 / `pthread_mutex_lock(&m2);` / リソース 1 と 2 を使用 */ `pthread_mutex_unlock(&m2);` `pthread_mutex_unlock(&m1);`	`pthread_mutex_lock(&m2);` /* リソース 2 を使用 / `pthread_mutex_lock(&m1);` / リソース 1 と 2 を使用 */ `pthread_mutex_unlock(&m1);` `pthread_mutex_unlock(&m2);`

スレッド 1

スレッド 2

pthread_mutex_lock(&m1);

/* リソース 1 を使用 */

pthread_mutex_lock(&m2);

/* リソース 1 と 2 を使用 */

pthread_mutex_unlock(&m2);

pthread_mutex_unlock(&m1);

pthread_mutex_lock(&m2);

/* リソース 2 を使用 */

pthread_mutex_lock(&m1);

/* リソース 1 と 2 を使用 */

pthread_mutex_unlock(&m1);

pthread_mutex_unlock(&m2);

この問題を回避する最善の方法は、スレッドで複数の mutex をロックする場合、常に同じ順序でロックすることです。ロックが常に規定された順序で実行されれば、デッドロックは起こらないはずです。この方法をロック序列と呼び、mutex に論理的な番号を割り振ることにより mutex に順序を付けます。

自分がある番号を持つ mutex を保持しているときより小さい番号が割り振られている mutex はロックできないという規定を守るようにします。

ただし、この方法は常に使用できるとは限りません。規定と違う順序で相互排他ロックを獲得しなければならないこともあるからです。そのような状況でデッドロックを防ぐには、pthread_mutex_trylock() を使用します。デッドロックが避けられないような事態が生じた場合は、ある 1 つのスレッドが現在保持している mutex のロックを解除する必要があります。

例 4-3 条件付きロック

スレッド 1	スレッド 2
`pthread_mutex_lock(&m1);` `pthread_mutex_lock(&m2);` /* 解放 */ `pthread_mutex_unlock(&m2);` `pthread_mutex_unlock(&m1);`	`for (; ;)` `{ pthread_mutex_lock(&m2);` `if (pthread_mutex_trylock(&m1)==0)` /* 獲得成功 / `break;` / 獲得失敗 / `pthread_mutex_unlock(&m2);` `}` / ロックを獲得し、解放 */ `pthread_mutex_unlock(&m1);` `pthread_mutex_unlock(&m2);`

スレッド 1

スレッド 2

pthread_mutex_lock(&m1);

pthread_mutex_lock(&m2);

/* 解放 */

pthread_mutex_unlock(&m2);

pthread_mutex_unlock(&m1);

for (; ;)

{ pthread_mutex_lock(&m2);

if (pthread_mutex_trylock(&m1)==0)

/* 獲得成功 */

break;

/* 獲得失敗 */

pthread_mutex_unlock(&m2);

}

/* ロックを獲得し、解放 */

pthread_mutex_unlock(&m1);

pthread_mutex_unlock(&m2);

例 4-3 では、スレッド 1 は mutex を規定通りの順序でロックしようとしていますが、スレッド 2 ではロックの順序が違います。デッドロックが発生しないようにするために、スレッド 2 は mutex の 1 を慎重にロックしなければなりません。これは、mutex の 1 が解放されるまで待つとすると、スレッド 1 との間にデッドロックの関係が生じる恐れがあるからです。

これを防ぐため、スレッド 2 は pthread_mutex_trylock() を呼び出し、mutex がロックされていなければロックします。ロックされていれば、スレッド 2 はただちにエラーを返します。その時点で、スレッド 2 は mutex の 2 を解放しなければなりません。その結果、スレッド 1 は mutex の 2 をロックでき、最終的には mutex の 1 と 2 の両方を解放します。

片方向リンクリストの入れ子のロック

例 4-4 と例 4-5で、一度に 3 つのロックを獲得する場合を説明します。この例では、デッドロックを防ぐために規定された順序でロックします。

例 4-4 片方向リンクのリスト構造体

typedef struct node1 {
    int value;
    struct node1 *link;
    pthread_mutex_t lock;
} node1_t;

node1_t ListHead;

この例で使用する片方向リンクのリスト構造体は、各ノードに相互排他ロックを含んでいます。このリストから特定のノードを削除する場合は、最初に ListHead (これが削除されることはない) の位置からリストをたどって目的のノードを探します。

この検索を同時並行的に行われる削除から保護するために、各ノードをロックしてからノードの内容にアクセスしなければなりません。すべての検索が ListHead の位置から開始されるので、常にリストの順序でロックされます。このため、デッドロックは決して発生しません。

目的のノードが見つかった時は、この変更がそのノードと直前のノードの両方に影響を与えるため、両方をロックします。直前のノードのロックが常に最初に獲得されるので、ここでもデッドロックの心配はありません。例 4-5 は、片方向リンクリストから特定のノードを削除する C コードを示しています。

例 4-5 片方向リンクリストの入れ子のロック

node1_t *delete(int value)
{
    node1_t *prev, *current;

    prev = &ListHead;
    pthread_mutex_lock(&prev->lock);
    while ((current = prev->link) != NULL) {
        pthread_mutex_lock(&current->lock);
        if (current->value == value) {
            prev->link = current->link;
            pthread_mutex_unlock(&current->lock);
            pthread_mutex_unlock(&prev->lock);
            current->link = NULL;
            return(current);
        }
        pthread_mutex_unlock(&prev->lock);
        prev = current;
    }
    pthread_mutex_unlock(&prev->lock);
    return(NULL);
}

循環リンクリストの入れ子のロック

例 4-6 は、前述のリスト構造を修正して循環リストにしたものです。先頭のノードとして識別されるノードはありません。スレッドは適当な 1 つのノードに関連付けられると、そのノードと次のノードに対して操作を行います。この状況ではロック序列は適用できません。明らかに階層 (つまり、リンクをたどる順番) が循環的だからです。

例 4-6 循環リンクリスト

typedef struct node2 {
    int value;
    struct node2 *link;
    pthread_mutex_t lock;
} node2_t;

例 4-7 では 2 つのノードをロックし、両方のノードに対してある操作を行なっている C コードを示します。

例 4-7 循環リンクリストの入れ子のロック

void Hit Neighbor(node2_t *me) {
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&me->lock);
        if (pthread_mutex_lock(&me->link->lock)!= 0) {
            /* ロック失敗 */             
            pthread_mutex_unlock(&me->lock);              
            continue;         
        }         
        break;     
    }     
    me->link->value += me->value;     
    me->value /=2;     
    pthread_mutex_unlock(&me->link->lock);     
    pthread_mutex_unlock(&me->lock);
}