第7章：メモリモデルと順序付け

この章で学ぶこと

• C11のメモリモデル
• アトミック操作
• メモリオーダー
• happens-before関係
• データ競合と未定義動作

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7.1 なぜメモリモデルが必要か

並行プログラミングの問題

マルチスレッドプログラムでは、複数のスレッドが同時にメモリにアクセスします。

int x = 0;
int y = 0;

/* スレッド1 */
x = 1;
y = 1;

/* スレッド2 */
int r1 = y;
int r2 = x;

直感的には r1 == 1 && r2 == 0 は不可能に見えますが、実際には起こりえます。

原因

• コンパイラの最適化（リオーダー）
• CPUの実行順序最適化
• キャッシュの影響

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7.2 アトミック型と操作

_Atomic 修飾子

#include <stdatomic.h>

_Atomic int counter = 0;
atomic_int counter2 = ATOMIC_VAR_INIT(0);

アトミック操作

atomic_store(&counter, 42);
int value = atomic_load(&counter);
atomic_fetch_add(&counter, 1);

複合代入

counter++;  /* アトミック */
counter += 5;  /* アトミック */

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7.3 メモリオーダー

6種類のメモリオーダー

typedef enum memory_order {
    memory_order_relaxed,
    memory_order_consume,
    memory_order_acquire,
    memory_order_release,
    memory_order_acq_rel,
    memory_order_seq_cst
} memory_order;

各オーダーの意味

relaxed: 順序保証なし。アトミック性のみ。

acquire: このロード以降の読み書きが、このロード前にリオーダーされない。

release: このストア以前の読み書きが、このストア後にリオーダーされない。

acq_rel: acquire と release の両方。

seq_cst: 逐次一貫性。最も厳しい。デフォルト。

使用例

/* プロデューサー・コンシューマー */
atomic_store_explicit(&data_ready, 1, memory_order_release);

while (atomic_load_explicit(&data_ready, memory_order_acquire) == 0)
    ;
/* data にアクセス */

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7.4 happens-before関係

定義

操作Aが操作Bより先に「happens-before」する場合、Aの効果はBから見える。

成立条件

• 同一スレッド内での順序
• release操作とそれを観測するacquire操作

例

/* スレッド1 */
data = 42;  /* A */
atomic_store_explicit(&flag, 1, memory_order_release);  /* B */

/* スレッド2 */
while (atomic_load_explicit(&flag, memory_order_acquire) == 0)  /* C */
    ;
int local = data;  /* D */

B happens-before C、したがって A happens-before D。local は 42。

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7.5 データ競合

定義

規格 5.1.2.4p25:

> Two expression evaluations conflict if one of them modifies a memory location and the other one reads or modifies the same memory location.

データ競合は、競合するアクセスがあり、happens-before関係がない場合に発生します。

データ競合は未定義動作

int x = 0;

/* スレッド1 */
x = 1;

/* スレッド2 */
int y = x;

/* データ競合 → 未定義動作 */

解決方法

_Atomic int x = 0;

/* スレッド1 */
atomic_store(&x, 1);

/* スレッド2 */
int y = atomic_load(&x);

/* OK: アトミック操作 */

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7.6 ミューテックスと条件変数

C11スレッド（オプション）

#include <threads.h>

mtx_t mutex;
mtx_init(&mutex, mtx_plain);

mtx_lock(&mutex);
/* クリティカルセクション */
mtx_unlock(&mutex);

POSIXスレッド

#include <pthread.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

pthread_mutex_lock(&mutex);
/* クリティカルセクション */
pthread_mutex_unlock(&mutex);

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7.7 この章のまとめ

C11メモリモデル

• アトミック型と操作
• 6種類のメモリオーダー
• happens-before関係

データ競合

• 競合 + happens-before関係なし = 未定義動作
• アトミック操作または同期プリミティブで解決

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確認問題

問題1

問題2

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次の章では、標準ライブラリの仕様詳細について学びます。