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マルチスレッドとは

2023/07/25に公開

マルチスレッドとは？

コンピュータプログラム内で2つ以上のタスク（スレッド）が同時に実行される技術を指します。
マルチスレッドの主な目的は、プログラムの並行性と効率を向上させることです!

一般的に、スレッドはプロセス内の実行の単位で、それぞれが独自のプログラムカウンタ、
レジスタセット、およびスタックを持っています。

しかし、同じプロセス内のスレッドは、ヒープメモリなどのリソースを共有します。
これにより、スレッド間でのデータの共有と通信が比較的容易になります。

	説明
プロセス	実行中のプログラムのインスタンス。各プロセスには独自のメモリ空間と必要なリソースが割り当てられます。
スレッド	プロセス内の実行の単位。複数のスレッドが同一のメモリ空間を共有できます。
プログラムカウンタ	次に実行する命令のアドレスを指すレジスタ。
スタック	一時的なデータを保存するためのメモリ領域。関数の呼び出しとリターンに使われます。
ヒープメモリ	コンピュータプログラムが実行時に使用するメモリの一部。動的なメモリ割り当てに用いられます。

UI（User Interface）を持つアプリケーションでは、
バックグラウンドでのデータ処理とUIの更新を同時に行うことが可能です。

これにより、重い処理が行われている間でもUIがフリーズすることなく、
ユーザーはアプリケーションと対話し続けることができます。

例えば

マルチコアまたはマルチプロセッサーシステムでは、複数のスレッドを同時に実行することで、
システムのパフォーマンスを向上させることが可能です。

一部のスレッドがI/O操作（ディスクへの書き込み、ネットワークからの読み取りなど）で
ブロックされている間も、他のスレッドは実行を続けることができます。

ただし、マルチスレッドには潜在的な問題も存在します。
複数のスレッドが共有データにアクセスすると、データの整合性が失われる可能性があります。

これを防ぐために、排他制御（mutexやsemaphoreなど）を用いて
データへのアクセスをコントロールする必要があります。

また、スレッドの作成と管理にはコストがかかるので、それも考慮する必要があります。

排他制御とは

排他制御（Mutual Exclusion）は、共有リソースへの
同時アクセスを防ぐための手法の一つです。
これは、一度に1つのプロセスまたはスレッドだけが
そのリソース（例えば、データベースの特定のレコード、共有メモリ領域、ファイルなど）に
アクセスできるようにすることを意味します。
排他制御がないと、複数のプロセスまたはスレッドが同時に共有リソースに書き込むと、
データの整合性が破壊される可能性があります。
例えば、銀行の口座残高を2つの異なるプロセスが同時に更新しようとすると、
どちらの更新も正しく反映されない可能性があります。
このような問題を　「競合状態（Race Condition）」　と呼びます。
排他制御は、セマフォア、ミューテックス（Mutex）、
モニターなどの同期原理を用いて実装されます。
これらの原理は、リソースへのアクセスをコントロールし、
一度に一つのプロセスまたはスレッドだけがリソースを使用できるようにすることで、競合状態を防ぎます。

Javaは最初からマルチスレッドをサポートして設計されており、
スレッドの作成、終了、同期などを直感的に制御できる高レベルのAPIを提供しています。

C++11から標準ライブラリとしてマルチスレッドをサポートしています。

Pythonではthreadingモジュールを使用してマルチスレッドを実装できますが、
GIL(Global Interpreter Lock)により同時に実行できるスレッドが一つだけなので、
CPUバウンドなタスクには向いていません。I/Oバウンドなタスクには有用です。

Node.jsはシングルスレッドで動作しますが、worker_threadsモジュールを使うことでマルチスレッドを実現できます。

これら以外にも多くの言語がマルチスレッドをサポートしています。
ただし、マルチスレッドの使用はコードの複雑性を増すため、慎重に設計と実装を行う必要があります。