スレッド同期を使って複数スレッドで番号を順番に出力する方法（C言語・pthread実装例）

本記事では、複数のスレッドを使って数字を正しい順序で出力する方法を解説します。まず n 個のスレッドを作成し、それらを同期させます。基本的な考え方は、「1番目のスレッドが 1 を出力し、次に2番目のスレッドが 2 を出力する」というように、各スレッドが順番に担当する番号を出力していくというものです。あるスレッドが出力処理を行っている間は共有リソースがロックされるため、他のスレッドがその領域にアクセスすることはできません。

同期の仕組み：ミューテックスと条件変数

このプログラムでは、POSIX スレッド（pthread）が提供する次の2つの同期機構を利用しています。

• ミューテックス（pthread_mutex_t）：クリティカルセクション（同時に1つのスレッドしか入れない領域）へのアクセスを排他制御し、競合状態を防ぎます。
• 条件変数（pthread_cond_t）：自分の順番ではないスレッドを待機状態にし、順番が回ってきたタイミングで再開させます。

処理の流れ

1. 各スレッドは起動時に自分のスレッド番号を受け取ります。
2. ミューテックスでロックを取得した後、自分の番号と共有カウンタ count が一致しない場合は pthread_cond_wait() で待機します。
3. 自分の番になれば printf() で番号を出力し、カウンタを更新します。
4. pthread_cond_signal() で次のスレッドへ通知し、ロックを解放して次のループへ進みます。

サンプルコード

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t* cond = NULL;
int threads;
volatile int count = 0;
void* sync_thread(void* num) { //スレッドを同期するための関数
    int thread_number = *(int*)num;
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex); //セクションをロック
        if (thread_number != count) { //スレッド番号がcountと一致しなければ、
            //1つを除く全スレッドを待機状態にする
            pthread_cond_wait(&cond[thread_number], &mutex);
        }
        printf("%d ", thread_number + 1); //スレッド番号を出力
        count = (count+1)%(threads);
        // 次のスレッドへ通知
        pthread_cond_signal(&cond[count]);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t* thread_id;
    volatile int i;
    int* thread_arr;
    printf("\nEnter number of threads: ");
    scanf("%d", &threads);
    // 条件変数・スレッドID・サイズthreadsの配列にメモリを確保
    cond = (pthread_cond_t*)malloc(sizeof(pthread_cond_t) * threads);
    thread_id = (pthread_t*)malloc(sizeof(pthread_t) * threads);
    thread_arr = (int*)malloc(sizeof(int) * threads);
    for (i = 0; i < threads; i++) { //スレッドを生成
        thread_arr[i] = i;
        pthread_create(&thread_id[i], NULL, sync_thread, (void*)&thread_arr[i]);
    }
    // スレッドの終了を待機
    for (i = 0; i < threads; i++) {
        pthread_join(thread_id[i], NULL);
    }
    return 0;
}

実行結果

コンパイル時には pthread ライブラリをリンクするため -lpthread オプションが必要です。また、このプログラムは無限ループで動作し続けるため、停止するには Ctrl+C などで中断してください。

$ g++ test.cpp -lpthread
$ ./a.out

Enter number of threads: 5
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3
4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3
4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1
2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2
3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
...
...
...

まとめ

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、複数スレッドの実行順序を厳密に制御できます。共有カウンタ count を基準に「今は誰の番か」を判定し、該当スレッドだけが出力を行う設計がポイントです。この手法は、生産者・消費者問題や順序付きタスク実行など、さまざまなマルチスレッドプログラミングの場面で応用できます。