C言語でPOSIXセマフォを使用する方法【初心者向け解説】

セマフォ(semaphore)は、プロセスやスレッドの同期を実現するための重要な概念です。本記事では、実際のC言語プログラムでPOSIXセマフォをどのように使用するのかを、サンプルコードと実行結果を交えて解説します。

POSIXセマフォとは

セマフォは、複数のプロセスやスレッドが共有リソースに同時にアクセスすることを防ぎ、排他制御や同期を実現するための仕組みです。クリティカルセクション(同時に実行してはいけない処理領域)へのアクセスを制御する際によく使われます。

準備：ヘッダーファイルとコンパイル方法

Linuxシステムでは、POSIXセマフォライブラリを利用できます。使用するには、まず semaphore.h ヘッダーファイルをインクルードします。コンパイル時には、以下のように pthread と rt ライブラリをリンクするオプションを指定します。

gcc program_name.c -lpthread -lrt

主なセマフォ関数

POSIXセマフォでよく使われる関数は以下の通りです。

• sem_init():名前なしセマフォを初期化します(スレッド間同期用)
• sem_open():名前付きセマフォを作成・オープンします(プロセス間通信(IPC)用)
• sem_wait():セマフォの値を減らしてロックを取得します。値が0の場合は待機状態になります
• sem_post():セマフォの値を増やしてロックを解放します
• sem_destroy():使用済みのセマフォを破棄します

サンプルコード

以下は、2つのスレッドがセマフォを使ってクリティカルセクションへのアクセスを制御する例です。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>
sem_t mutex;
void* thread(void* arg) { // スレッドとして動作する関数
    sem_wait(&mutex); // 待機状態(ロック取得)
    printf("\nEntered into the Critical Section..\n");
    sleep(3); // クリティカルセクション
    printf("\nCompleted...\n"); // クリティカルセクションから退出
    sem_post(&mutex); // ロック解放
}
main() {
    sem_init(&mutex, 0, 1); // セマフォを初期値1で初期化
    pthread_t th1,th2;
    pthread_create(&th1,NULL,thread,NULL);
    sleep(2);
    pthread_create(&th2,NULL,thread,NULL);
    // メインスレッドで各スレッドの終了を待つ
    pthread_join(th1,NULL);
    pthread_join(th2,NULL);
    sem_destroy(&mutex); // セマフォを破棄
}

コードのポイント

sem_init(&mutex, 0, 1) の第2引数が 0 の場合、セマフォは同一プロセス内のスレッド間で共有されます。初期値を 1 にすることで、バイナリセマフォ(ミューテックスのような動作)として機能し、1つのスレッドだけがクリティカルセクションに入れるようになります。

1つ目のスレッドが sem_wait() でロックを取得すると、2つ目のスレッドは sem_post() でロックが解放されるまで待機します。そのため、2つのスレッドのクリティカルセクション処理が重なることはありません。

実行結果

soumyadeep@soumyadeep-VirtualBox:~/Cpp_progs$ gcc 1270.posix_semaphore.c -lpthread -lrt
1270.posix_semaphore.c:19:1: warning: return type defaults to 'int' [-Wimplicit-int]
main() {
^~~~
soumyadeep@soumyadeep-VirtualBox:~/Cpp_progs$ ./a.out

Entered into the Critical Section..

Completed...

Entered into the Critical Section..

Completed...
soumyadeep@soumyadeep-VirtualBox:~/Cpp_progs$

実行結果を見ると、1つ目のスレッドがクリティカルセクションに入り、処理を完了してから2つ目のスレッドが入っていることが分かります。なお、main() の戻り値の型が省略されているため警告が表示されていますが、動作には問題ありません。本番のコードでは int main(void) と記述し、return 0; を返すのが望ましいでしょう。

まとめ

POSIXセマフォを使うことで、スレッド間の排他制御を簡単に実装できます。基本的な流れは「sem_init() で初期化 → sem_wait() でロック取得 → クリティカルセクション実行 → sem_post() でロック解放 → sem_destroy() で破棄」となります。マルチスレッドプログラミングにおける競合状態(race condition)を防ぐために、ぜひ活用してみてください。