C++でのマルチスレッドプログラミング入門｜POSIXスレッドの作成から終了まで

マルチスレッドとは

マルチスレッドはマルチタスクの特殊な形態であり、マルチタスクとは、コンピュータが2つ以上のプログラムを同時に実行できる機能のことです。マルチタスクには、一般的に「プロセスベース」と「スレッドベース」の2種類があります。

プロセスベースのマルチタスクは、複数のプログラムの同時実行を扱います。一方、スレッドベースのマルチタスクは、同一プログラム内の複数の処理単位の同時実行を扱います。

マルチスレッドプログラムは、同時に実行可能な2つ以上の部分から構成されます。この各部分を「スレッド」と呼び、それぞれのスレッドが独立した実行パスを定義します。

なお、C++言語自体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は用意されておらず、この機能はオペレーティングシステムに完全に依存します。

本チュートリアルでは、Linux OSを前提とし、POSIXを利用したマルチスレッドC++プログラムの作成方法を解説します。POSIX Threads(Pthreads)は、FreeBSD、NetBSD、GNU/Linux、Mac OS X、Solarisなど、多くのUnix系POSIXシステムで利用可能なAPIを提供しています。

スレッドの作成

POSIXスレッドを作成するには、次のルーチンを使用します。

#include <pthread.h>
pthread_create (thread, attr, start_routine, arg)

pthread_createは新しいスレッドを生成し、実行可能な状態にします。このルーチンは、コード内のどこからでも何度でも呼び出すことができます。各パラメータの詳細は以下のとおりです。

1つのプロセスが作成できるスレッドの最大数は実装に依存します。作成されたスレッドは互いに対等な関係にあり、さらに別のスレッドを作成することも可能です。スレッド間に暗黙的な階層構造や依存関係は存在しません。

スレッドの終了

POSIXスレッドを終了するには、次のルーチンを使用します。

#include <pthread.h>
pthread_exit (status)

pthread_exitは、スレッドを明示的に終了させるために使用します。通常、pthread_exit()は、スレッドが処理を完了し、その存在が不要になった時点で呼び出されます。

main()が生成したスレッドより先に終了する際にpthread_exit()を呼び出した場合、他のスレッドは実行を継続します。pthread_exit()を呼び出さずにmain()が終了した場合は、すべてのスレッドが自動的に終了されます。

サンプルプログラム

以下は、5つのスレッドを生成し、それぞれのスレッドが「Hello World!」メッセージを出力するシンプルな例です。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
using namespace std;
#define NUM_THREADS 5

void *PrintHello(void *threadid) {
    long tid;
    tid = (long)threadid;
    cout << "Hello World! Thread ID, " << tid << endl;
    pthread_exit(NULL);
}

int main () {
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    int rc;
    int i;
    for( i = 0; i < NUM_THREADS; i++ ) {
        cout << "main() : creating thread, " << i << endl;
        rc = pthread_create(&threads[i], NULL, PrintHello, (void *)i);
        if (rc) {
            cout << "Error:unable to create thread," << rc << endl;
            exit(-1);
        }
    }
    pthread_exit(NULL);
}

コンパイルと実行結果

コンパイル時には、-lpthreadオプションを付けてpthreadライブラリをリンクする必要があります。

$gcc test.cpp -lpthread
$./a.out
main() : creating thread, 0
main() : creating thread, 1
main() : creating thread, 2
main() : creating thread, 3
main() : creating thread, 4
Hello World! Thread ID, 0
Hello World! Thread ID, 1
Hello World! Thread ID, 2
Hello World! Thread ID, 3
Hello World! Thread ID, 4

このように、main()から5つのスレッドが順に作成され、それぞれのスレッドが独立してメッセージを出力していることが確認できます。なお、スレッドの実行順序はOSのスケジューリングに依存するため、実行のたびに順序が入れ替わる場合があります。