スレッド (コンピュータ)

スレッドとは

スレッド（thread）とは、コンピュータプログラムにおいて、特定の処理を実行するための一連の命令の流れを指します。プロセッサの利用における最小単位であり、プロセスは少なくとも1つ以上のスレッドを含んでいます。

プロセスとスレッドの違い

プロセスは独立した仮想アドレス空間を持ちますが、プロセス内のスレッド群はアドレス空間を共有します。これにより、スレッド間の切り替えは高速に行うことができ、効率的な並行処理が可能になります。スレッドは「thread of execution（実行の脈絡）」を省略した言葉です。

マルチスレッドプログラミング

複数のスレッドを生成し、それぞれに処理を割り当てることで、並行処理による応答性の向上や、マルチコアプロセッサを活用した並列処理による実行時間の短縮が実現できます。このような手法をマルチスレッドプログラミングと呼びます。

スレッドの利点

プログラミングの観点から見ると、アプリケーションの処理は単一の実行の流れではなく、複数の流れを持つことが多いです。例えば、GUIの描画やユーザーとの対話を行うフローと、時間のかかるネットワークアクセスやファイルI/Oを行うフローは、分離した方が効率的です。スレッドを使用することで、これらの処理を並行して実行でき、プログラムの構造も改善されます。

スレッドとプロセスとタスク

複数の処理を同時に実行するためには、CPU時間を適切に分配・スケジューリングする機能が必要です。処理の分割単位として、スレッドとプロセスがあります。

プロセスの特徴

プロセスを動作させるには、CPUやメモリなどの計算資源を割り当てる必要があります。各プロセスは割り当てられた資源内で独立して動作し、OSによって仮想化された仮想アドレス空間を使用します。これにより、プロセス間のメモリへの直接アクセスは制限されます。しかし、独立したメモリ空間が必要ない場合には、共有メモリ方式が有効であり、スレッドはこの共有メモリ方式を可能にします。

マルチタスクOSにおけるスレッド、プロセス、タスクの関係

マルチタスクOSでは、1つのタスクは1つ以上のプロセスから構成され、1つのプロセスは1つ以上のスレッドから構成されます。ただし、この関係は環境によって異なり、リアルタイムOSではタスクとスレッドがほぼ同じ意味を持つこともあります。

スレッドの注意点

スレッドを使用することで、メモリ消費量を軽減できますが、同時に複数のスレッドが同じデータを書き換えることによる不整合に注意が必要です。そのため、排他制御を行う必要があります。また、共有ライブラリを使用する際は、スレッドセーフであるかを確認する必要があります。複数のスレッドが協調動作する際は、デッドロックに陥らないように注意する必要があります。

シングルスレッドとマルチスレッド

単一のスレッドのみを用いて処理を行う環境をシングルスレッド、複数のスレッドが同時に動作することをマルチスレッドと呼びます。プログラム開始時にはメインスレッドが動作し、必要に応じて他のスレッドを作成して実行します。

スレッドの実装形態

ユーザースレッドとカーネルスレッド

ユーザ空間で実装されたスレッド機構をユーザースレッド、カーネル空間で実装されたスレッド機構をカーネルスレッドと呼びます。

ユーザースレッド: 切り替えのオーバーヘッドが小さく実装が簡単ですが、マルチプロセッサの恩恵を受けられず、あるスレッドがスリープすると全スレッドが停止するという欠点があります。
カーネルスレッド: マルチプロセッサで並行実行が可能ですが、オーバーヘッドが大きく、生成可能なスレッド数に制限があります。

ライトウェイトプロセス (LWP)

LWPは、カーネルスレッドとユーザースレッドの利点を組み合わせたスレッド機構です。カーネルはLWPというスレッドを実行するオブジェクトを管理し、LWPが適切なユーザースレッドを選択して実行します。これにより、効率的なスレッド管理が可能になります。

ライトウェイトスレッド

ライトウェイトスレッドは、ユーザプロセス空間内で疑似的にスレッディング動作を行う概念です。スタックなどのスレッドコンテキスト情報の暗黙的な切り替えは行われず、API呼び出し時などにのみ切り替わります。オーバーヘッドが非常に小さく、コルーチンやイテレータブロックなどがこの分類に含まれます。

スレッドライブラリ

初期のプログラミング言語では、スレッドは標準サポートされていませんでしたが、現代的な言語やプラットフォームでは標準的にサポートされています。C++11規格では、Boost C++ライブラリをベースとしたスレッドライブラリが標準化されました。

スレッドの暗黙的利用

マルチスレッドプログラミングは難易度が高いですが、並列処理や並行処理のバックエンドとしてスレッドを暗黙的に利用する上位レベルのAPIを使用することが一般的です。OpenMPや.NETのタスク並列ライブラリ (TPL) などがその例です。これらのAPIはスレッドプールを使用し、オーバーヘッドを低減し、ハードウェア構成を意識せずに環境に適した数のスレッドを活用できます。ただし、排他制御には依然として注意が必要です。

まとめ

スレッドは、プログラムの実行効率を向上させるための重要な概念です。この記事では、スレッドの基本から、プロセスやタスクとの関係、実装形態、プログラミングにおける注意点までを解説しました。スレッドを適切に利用することで、より効率的なプログラム開発が可能になります。