C言語のコンパイラ警告 C4938について解説

c言語でOpenMPを使用する際、コンパイラ警告C4938が出る場合があります。

これは浮動小数点の加算処理において、/fp:strictや#pragma fenv_accessを使用すると並列処理で計算順序が変わり、結果が異なる可能性があるためです。

警告内容を通して、加算の順序に注意することが求められています。

OpenMPを用いた浮動小数点演算の背景

並列処理技術の普及により、従来の逐次処理と比べ大幅な高速化が期待できるようになりました。

特にOpenMPは、複数のCPUコアを有効に活用するためのライブラリとして広く利用されています。

ここでは、並列処理とその際に発生する浮動小数点演算の特性について解説します。

OpenMPによる並列処理の基本

OpenMPは、ディレクティブ(#pragma文)を利用してコードの一部を並列化する仕組みを提供します。

基本的な使い方としては、forループの並列化があり、ループ内の各イテレーションが複数のスレッドで実行されるため、計算負荷の分散が可能となります。

たとえば、配列の要素を用いた加算処理では、以下のように記述します。

#include <stdio.h>
#include <omp.h>
int main(void) {
    int N = 100;
    double sum = 0.0;
    double array[100];
    // 配列の初期化(日本語コメント：0から99までの値を設定)
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        array[i] = i;
    }
    // OpenMPディレクティブで並列化(日本語コメント：reductionを利用し安全に加算)
    #pragma omp parallel for reduction(+: sum)
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        sum += array[i];
    }
    printf("合計: %f\n", sum);
    return 0;
}

合計: 4950.000000

このように、OpenMPディレクティブを利用するだけで、手軽に並列処理を実現できます。

並列処理時の浮動小数点計算の特性

並列化されたループでは、各スレッドが独自に部分計算を行い、最終的に結果を統合(reduction)します。

浮動小数点数の場合、巡回順序が変更されると丸め誤差の影響が個々の加算順序に依存するため、厳密には同一の計算結果が得られない場合があります。

この特性は、以下のような数式で表現されます。

$$S=a_1+a_2+\cdots +a_n$$

並列処理では、いくつかの部分和 $S_1,S_2,\dots ,S_k$ に分割し、最終的にそれらの和を取ります。

順序変更により、丸め誤差がどう影響するかを正確に予測することは難しくなるため、僅かな差異が生じる可能性がある点に注意が必要です。

コンパイラ警告C4938の発生原因

コンパイラ警告C4938は、浮動小数点数のreductionにおける計算の順序が意図した動作と異なる結果をもたらす可能性に対して出されます。

この警告は、特定のコンパイルオプションやディレクティブの設定によって発生します。

以下、警告の発生要因について詳しく解説します。

/fp:strictオプションの影響

/fp:strictオプションは、浮動小数点演算における丸めや演算順序の厳密な遵守を要求します。

この設定では、IEEE標準に基づき、計算順序の変更による数値誤差が最小限に抑えられます。

しかしながら、並列計算時に計算順序が変化すると、正確な丸め規則が適用されず、結果として想定外の値になる可能性があるため、C4938の警告が発生するのです。

#pragma fenv_accessの設定と効果

#pragma fenv_accessディレクティブは、プログラム内で浮動小数点環境(例：丸めモード)へのアクセスを許可するか否かを指定します。

この設定がオンの場合、コンパイラは環境の変更を考慮に入れて計算を行います。

並列処理と組み合わせると、各スレッドが異なる環境設定を参照する可能性があり、結果に矛盾が生じるためC4938が警告されることがあります。

計算順序変更がもたらす影響

並列処理では、計算順序が大幅に変更されるため、単一スレッドで実行した場合と結果が異なるケースが存在します。

具体的には、部分和の計算とその後の統合の順序が変わると、各計算の丸め誤差の累積が発生します。

これにより、

$$S=(S_1+S_2)\text{ differs from }S=S_1+S_2(\text{順序が異なる場合})$$

といった状況が生じ、警告が出る根拠となります。

警告C4938の具体例と解析

実際のコード例をもとに、警告C4938がどのような状況で発生するのかを具体的に見ていきます。

コード例の構造解説

以下は、参考資料に基づいたサンプルコードです。

各部分の解説を交えながら、コードの構成とその作用を理解します。

コード内の並列処理部分の動作

サンプルコードでは、配列の各要素を加算するためにOpenMPのforディレクティブが使用されています。

並列ループで各スレッドが部分和(Sum)を計算し、後にreductionによってそれぞれの部分和が統合されます。

また、計算の順序によって結果が不一致となる可能性があり、それが警告C4938の直接の要因となります。

/openmpオプションの役割

/ openmp オプションは、コンパイラに対して並列化用のコードを有効にする指示です。

これにより、プログラム内の #pragma omp ディレクティブが正しく解釈され、各スレッドが生成されます。

/fp:strictや#pragma fenv_accessの設定と併用する場合、浮動小数点演算の取り扱いが厳格化され、結果として警告が発生しやすくなる経緯があります。

以下にサンプルコードを示します。

#include <stdio.h>
#include <omp.h>
// 外部の浮動小数点配列(日本語コメント：グローバルなデータ)
extern double *globalArray;
// 浮動小数点の和を計算する関数
double computeSum(int start, int end) {
    double sum = 0.0;
    // OpenMPで並列化し、各スレッドで部分和を計算
    #pragma omp parallel for reduction(+: sum)
    for (int i = start; i <= end; i++) {
        sum += globalArray[i];  // 日本語コメント：各要素を累積
    }
    return sum;
}
int main(void) {
    // 日本語コメント：サンプル用に静的配列を用意
    static double array[10];
    // 配列の初期化
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        array[i] = i + 1;  // 1から10までの数値
    }
    // グローバル配列として初期化
    globalArray = array;
    double result = computeSum(0, 9);
    printf("合計: %f\n", result);
    return 0;
}

合計: 55.000000

異なる計算結果の発生要因

並列化により計算順序が変更されることで、各スレッドごとの部分和が異なる順序で合算されるため、丸め誤差が蓄積する可能性があります。

たとえば、単一スレッドでの計算と並列スレッドでの計算順序が以下のように異なる場合、

• 単一スレッド：$a_1+a_2+a_3+\cdots +a_n$
• 並列処理：$(a_1+a_2+\cdots )+(a_k+a_{k+1}+\cdots )$

それぞれの累積誤差が異なるため、最終結果に差が生じることがあります。

これが、C4938警告の背景にある数値計算上の問題と言えるでしょう。

警告C4938への対応策

警告C4938に対する対応策としては、コンパイラオプションの設定変更やコード修正が有効です。

ここでは、考えられる対応策を具体的に示します。

コンパイラオプションの見直し

まずは、浮動小数点演算の厳格な処理を要求するオプション(例：/fp:strict)や、#pragma fenv_accessの設定を見直す方法が考えられます。

・/fp:fastまたは既定値に変更する

・#pragma fenv_accessをコメントアウトする

これにより、計算順序の変更が許容され、結果として警告が抑制される可能性があります。

ただし、数値の厳密性とのトレードオフが存在するため、用途に応じた判断が求められます。

コード修正による警告回避方法

コード側でも、並列化する部分のロジックを工夫することで警告の発生を回避できる場合があります。

たとえば、並列領域内での計算順序に依存しないアルゴリズムを検討することや、一時変数に対して明示的な丸め制御を設ける方法などが考えられます。

具体的には、部分和を求めた後に別途丸め処理を行うなど、計算結果が安定するような処理を導入することで警告の対象を減らすことが可能です。

C言語と並列処理の注意点

C言語における並列処理は、プログラマに大きなパフォーマンス向上の可能性を提供します。

しかし、並列処理ならではの注意点も存在します。

特に浮動小数点演算では、計算順序の変更が直接的に結果に影響を与えるため、以下のポイントに留意する必要があります。

並列処理による計算順序の変動の検証

並列処理を用いた場合、各スレッドが実行される順序は非決定的です。

これが浮動小数点計算の結果に微小な誤差をもたらすことを検証するため、同一の入力に対して複数回の実行・結果比較を行うことが推奨されます。

また、並列処理前後での結果の一致性を確認するためのテストコードを用意し、必要に応じた統計的手法を用いることで、誤差の傾向とその影響範囲を把握することが大切です。

浮動小数点演算の留意点と対処方法

浮動小数点演算は、数値表現の特性上厳密な一致が得られない可能性があります。

• 丸め誤差: 小さい誤差が計算の繰り返しで累積する可能性
• 並列化による順序変更: 順序変更により誤差の累積が変化する

これらの対処方法としては、数値誤差を許容する設計と、必要に応じた誤差範囲の定義・検証を行う方法が考えられます。

具体的には、結果の誤差が一定の範囲内に収まっているかどうかを定量的に評価する仕組みを導入するとよいでしょう。

まとめ

本稿では、OpenMPを用いた並列処理における浮動小数点演算の背景と、/fp:strictおよび#pragma fenv_accessの設定が計算順序や丸め誤差に与える影響について解説しました。

C4938警告が発生する具体例を示し、コンパイラオプションの調整やコード修正による対策を説明。

並列処理に起因する計算結果のぶれを把握し、適切な対処方法を検討するための知識が得られます。