[C++] std::thread,std::asyncを用いた簡単な非同期処理の書き方

C++で非同期処理を実現するには、std::threadとstd::asyncが利用できます。

std::threadはスレッドを直接管理し、明示的に開始・終了を制御します。

一方、std::asyncは非同期タスクを簡潔に扱え、戻り値をstd::futureで取得可能です。

std::threadは手動でリソース管理が必要ですが、std::asyncは自動管理されます。

std::threadを使った非同期処理

C++のstd::threadを使用すると、簡単に非同期処理を実装できます。

std::threadは、スレッドを作成し、並行して処理を実行するためのクラスです。

以下に、std::threadを使った基本的な非同期処理の例を示します。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
// 非同期で実行する関数
void asyncFunction(int id) {
    std::cout << "スレッド " << id << " が開始されました。" << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 2秒待機
    std::cout << "スレッド " << id << " が終了しました。" << std::endl;
}
int main() {
    // スレッドを作成
    std::thread thread1(asyncFunction, 1);
    std::thread thread2(asyncFunction, 2);
    // メインスレッドでの処理
    std::cout << "メインスレッドが実行中です。" << std::endl;
    // スレッドの終了を待機
    thread1.join();
    thread2.join();
    return 0;
}

メインスレッドが実行中です。
スレッド 1 が開始されました。
スレッド 2 が開始されました。
スレッド 1 が終了しました。
スレッド 2 が終了しました。

このコードでは、asyncFunctionという関数を2つのスレッドで非同期に実行しています。

std::threadを使ってスレッドを作成し、joinメソッドでメインスレッドがスレッドの終了を待機します。

これにより、メインスレッドはスレッドの処理が完了するまで待機し、スレッドが並行して実行されることが確認できます。

std::asyncを使った非同期処理

C++のstd::asyncは、非同期処理を簡単に実装するための便利な機能です。

std::asyncを使用すると、関数を非同期に実行し、その結果を将来的に取得することができます。

以下に、std::asyncを使った基本的な非同期処理の例を示します。

#include <iostream>
#include <future>
#include <chrono>
// 非同期で実行する関数
int asyncFunction(int id) {
    std::cout << "スレッド " << id << " が開始されました。" << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 2秒待機
    std::cout << "スレッド " << id << " が終了しました。" << std::endl;
    return id * 10; // 結果を返す
}
int main() {
    // std::asyncを使って非同期処理を開始
    std::future<int> result1 = std::async(std::launch::async, asyncFunction, 1);
    std::future<int> result2 = std::async(std::launch::async, asyncFunction, 2);
    // メインスレッドでの処理
    std::cout << "メインスレッドが実行中です。" << std::endl;
    // 結果を取得
    int value1 = result1.get(); // スレッド1の結果を取得
    int value2 = result2.get(); // スレッド2の結果を取得
    std::cout << "スレッド1の結果: " << value1 << std::endl;
    std::cout << "スレッド2の結果: " << value2 << std::endl;
    return 0;
}

メインスレッドが実行中です。
スレッド 1 が開始されました。
スレッド 2 が開始されました。
スレッド 1 が終了しました。
スレッド 2 が終了しました。
スレッド1の結果: 10
スレッド2の結果: 20

このコードでは、asyncFunctionという関数をstd::asyncを使って非同期に実行しています。

std::asyncは、指定した関数を新しいスレッドで実行し、その結果をstd::futureオブジェクトを通じて取得できます。

getメソッドを呼び出すことで、非同期処理の結果を待機し、取得することができます。

これにより、メインスレッドは他の処理を行いながら、非同期処理の結果を後で取得することが可能です。

std::threadとstd::asyncの比較

C++における非同期処理を実現するための手段として、std::threadとstd::asyncがあります。

それぞれの特徴や利点、欠点を比較してみましょう。

特徴の比較表

詳細な比較

スレッド管理

• std::threadでは、スレッドを手動で作成し、終了を待つためにjoinメソッドを呼び出す必要があります。

これに対し、std::asyncは、関数を非同期に実行し、結果をstd::futureで管理するため、スレッドの管理が簡単です。

結果の取得

• std::threadでは、スレッドの実行が完了するまでメインスレッドが待機する必要がありますが、std::asyncでは、非同期処理の結果を後で取得できるため、メインスレッドは他の処理を行うことができます。

実行ポリシー

• std::asyncでは、実行ポリシーを指定することができ、非同期または同期での実行を選択できます。

一方、std::threadは常に新しいスレッドを作成します。

エラーハンドリング

• std::threadでは、スレッド内で発生した例外をメインスレッドでキャッチすることが難しいですが、std::asyncでは、std::futureを通じて例外をキャッチすることができます。

使用の簡便さ

• std::asyncは、非同期処理を簡潔に記述できるため、特に初心者にとって使いやすい選択肢です。

std::threadは、より細かい制御が可能ですが、コードが複雑になることがあります。

std::threadとstd::asyncは、それぞれ異なる利点と欠点を持っています。

用途に応じて適切な方法を選択することが重要です。

一般的には、簡単な非同期処理にはstd::asyncを、より細かい制御が必要な場合にはstd::threadを使用することが推奨されます。

非同期処理のデバッグとトラブルシューティング

非同期処理は、プログラムのパフォーマンスを向上させる一方で、デバッグやトラブルシューティングが難しくなることがあります。

ここでは、C++における非同期処理のデバッグ方法と一般的なトラブルシューティングの手法について解説します。

デバッグのポイント

1. ログ出力の活用

• 非同期処理の各ステップでログを出力することで、処理の流れを追跡できます。

スレッドIDや関数の開始・終了時刻を記録することが有効です。

2. スレッドの状態確認

• スレッドの状態を確認するために、std::thread::joinable()メソッドを使用して、スレッドがまだ実行中かどうかをチェックできます。

これにより、スレッドの状態を把握しやすくなります。

3. 例外処理の実装

• 非同期処理内で発生した例外を適切にキャッチし、ログに記録することで、問題の特定が容易になります。

std::futureを使用する場合、get()メソッドで例外を再スローすることができます。

4. デバッガの利用

• IDEに組み込まれているデバッガを使用して、スレッドの実行状況をリアルタイムで確認できます。

ブレークポイントを設定し、スレッドの状態を観察することが重要です。

一般的なトラブルシューティング

非同期処理のデバッグとトラブルシューティングは、特に複雑なプログラムにおいて重要です。

ログ出力やスレッドの状態確認、例外処理を適切に行うことで、問題の特定と解決が容易になります。

また、一般的なトラブルシューティングの手法を理解しておくことで、非同期処理における問題を迅速に解決できるようになります。

実践例：std::threadとstd::asyncを組み合わせたアプリケーション

ここでは、std::threadとstd::asyncを組み合わせて、簡単なアプリケーションを作成します。

このアプリケーションでは、複数の非同期処理を実行し、結果を集約して表示します。

具体的には、数値の計算を行うタスクを非同期に実行し、その結果をメインスレッドで表示します。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <future>
#include <vector>
#include <numeric> // std::accumulate
// 非同期で計算を行う関数
int calculateSum(int start, int end) {
    int sum = 0;
    for (int i = start; i <= end; ++i) {
        sum += i; // 合計を計算
    }
    return sum; // 結果を返す
}
int main() {
    // 計算タスクの範囲を設定
    int range1_start = 1, range1_end = 50;
    int range2_start = 51, range2_end = 100;
    // std::asyncを使って非同期処理を開始
    std::future<int> result1 = std::async(std::launch::async, calculateSum, range1_start, range1_end);
    std::future<int> result2 = std::async(std::launch::async, calculateSum, range2_start, range2_end);
    // std::threadを使って別の非同期処理を開始
    std::thread thread1([]() {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 1秒待機
        std::cout << "スレッド1: 処理が完了しました。" << std::endl;
    });
    // メインスレッドでの処理
    std::cout << "メインスレッドが実行中です。" << std::endl;
    // 結果を取得
    int sum1 = result1.get(); // スレッド1の結果を取得
    int sum2 = result2.get(); // スレッド2の結果を取得
    // 合計を表示
    std::cout << "範囲1の合計: " << sum1 << std::endl;
    std::cout << "範囲2の合計: " << sum2 << std::endl;
    // スレッドの終了を待機
    thread1.join();
    return 0;
}

メインスレッドが実行中です。
スレッド1: 処理が完了しました。
範囲1の合計: 1275
範囲2の合計: 5050

このアプリケーションでは、calculateSum関数を使用して、指定した範囲の合計を計算します。

std::asyncを使って2つの非同期処理を実行し、それぞれの結果をstd::futureで取得します。

また、std::threadを使って別の非同期処理を実行し、1秒後にメッセージを表示します。

メインスレッドは、非同期処理の結果を待機しながら他の処理を行うことができ、最終的に計算結果を表示します。

このように、std::threadとstd::asyncを組み合わせることで、柔軟で効率的な非同期処理を実現できます。

まとめ

この記事では、C++における非同期処理の基本的な手法であるstd::threadとstd::asyncについて詳しく解説しました。

これらの機能を活用することで、プログラムのパフォーマンスを向上させることが可能であり、特に複数のタスクを同時に実行する際に非常に有効です。

今後は、実際のプロジェクトにおいてこれらの非同期処理を積極的に取り入れ、効率的なプログラム作成に挑戦してみてください。