C言語のスレッド同期を使って1〜10の数字を順番に出力する方法

複数のスレッドが与えられたとき、それぞれの役割(優先度)に従って1から10までの数字を正しい順序で出力するプログラムを、C言語で作成します。

スレッドとは?

スレッドとは、プログラムの内部で動作する軽量プロセスのことです。ひとつのシンプルなプログラムの中に、n個のスレッドを含めることができます。

Javaと異なり、C/C++の言語仕様自体はマルチスレッドをサポートしていません。C/C++でマルチスレッドを実現する際の標準として広く使われているのが、POSIX Threads(Pthreads)です。C言語にはマルチスレッドアプリケーション向けの組み込みサポートが用意されておらず、この機能は完全にオペレーティングシステム(OS)に依存します。

プログラムでの実装方法

スレッド関連の関数を使用するには、ヘッダーファイル #include <pthread.h> をインクルードします。このヘッダーには、pthread_create() など、スレッド操作に関わるすべての関数が宣言されています。

今回の課題は、gccコンパイラに付属するpthread標準ライブラリを使って、複数のスレッドを同期させることです。基本的な考え方は次のとおりです。

• 1つ目のスレッド(even)は偶数を出力する
• 2つ目のスレッド(odd)は奇数を出力する
• ミューテックスと条件変数を使い、交互に制御を渡しながら1から10まで順番に表示する

その結果、出力にはスレッドの実行順序に基づいて1から10までの数字が正しく並びます。

アルゴリズム

Start
Step 1 -> グローバル変数として int MAX=10 と count=1 を宣言する
Step 2 -> pthread_mutex_t 型の変数 thr と pthread_cond_t 型の変数 cond を宣言する
Step 3 -> 関数 void *even(void *arg) を宣言する
    While(count < MAX) ループ
      pthread_mutex_lock(&thr) を呼び出す
      While(count % 2 != 0) ループ
         pthread_cond_wait(&cond, &thr) を呼び出す
      End
      count++ の値を出力する
      pthread_mutex_unlock(&thr) を呼び出す
      pthread_cond_signal(&cond) を呼び出す
    End
    pthread_exit(0) を呼び出す
Step 4 -> 関数 void *odd(void *arg) を宣言する
    While(count < MAX) ループ
      pthread_mutex_lock(&thr) を呼び出す
      While(count % 2 != 1) ループ
         pthread_cond_wait(&cond, &thr) を呼び出す
      End
      count++ の値を出力する
      pthread_mutex_unlock(&thr) を呼び出す
      pthread_cond_signal(&cond) を呼び出す
    End
    pthread_exit(0) を呼び出す
Step 5 -> main() 内で
    pthread_t thread1 と pthread_t thread2 を作成する
    pthread_mutex_init(&thr, 0) を呼び出す
    pthread_cond_init(&cond, 0) を呼び出す
    pthread_create(&thread1, 0, &even, NULL) を呼び出す
    pthread_create(&thread2, 0, &odd, NULL) を呼び出す
    pthread_join(thread1, 0) を呼び出す
    pthread_join(thread2, 0) を呼び出す
    pthread_mutex_destroy(&thr) を呼び出す
    pthread_cond_destroy(&cond) を呼び出す
Stop

サンプルコード

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int MAX = 10;
int count = 1;
pthread_mutex_t thr;
pthread_cond_t cond;
void *even(void *arg){
    while(count < MAX) {
        pthread_mutex_lock(&thr);
        while(count % 2 != 0) {
            pthread_cond_wait(&cond, &thr);
        }
        printf("%d ", count++);
        pthread_mutex_unlock(&thr);
        pthread_cond_signal(&cond);
    }
    pthread_exit(0);
}
void *odd(void *arg){
    while(count < MAX) {
        pthread_mutex_lock(&thr);
        while(count % 2 != 1) {
            pthread_cond_wait(&cond, &thr);
        }
        printf("%d ", count++);
        pthread_mutex_unlock(&thr);
        pthread_cond_signal(&cond);
    }
    pthread_exit(0);
}
int main(){
    pthread_t thread1;
    pthread_t thread2;
    pthread_mutex_init(&thr, 0);
    pthread_cond_init(&cond, 0);
    pthread_create(&thread1, 0, &even, NULL);
    pthread_create(&thread2, 0, &odd, NULL);
    pthread_join(thread1, 0);
    pthread_join(thread2, 0);
    pthread_mutex_destroy(&thr);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    return 0;
}

実行結果

上記のプログラムをコンパイルして実行すると、次のような出力が得られます。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ポイントの解説

pthread_mutex_lock / unlock: 共有変数 count への同時アクセスを防ぎ、データ競合を回避します。
pthread_cond_wait: 自分の番(偶数/奇数)が来るまでスレッドを待機状態にします。
pthread_cond_signal: 待機中のもう一方のスレッドに「自分の番が来た」ことを通知し、処理を交代させます。

このように、ミューテックスによる排他制御と条件変数による待機・通知を組み合わせることで、複数のスレッドが協調して動作し、数字が必ず昇順に出力されることが保証されます。