1. 導入
現代のマルチコアCPU環境において、ミューテックス（std::mutex）による排他制御は、スレッドのコンテキストスイッチや待機状態の発生により、高負荷時には大きなオーバーヘッドとなります。本稿で解説するCAS（Compare-and-Swap）を活用したロックフリーアルゴリズムは、ハードウェアレベルで提供されるアトミック命令を利用することで、ロックを介さずにスレッド間の同期を実現します。これにより、極めて高いスループットを達成できる可能性がありますが、同時に実装難易度が高く、特有のバグに注意が必要です。
2. 基礎知識
CASとは、「メモリ上の値が期待する値と一致する場合のみ、新しい値に書き換える」という一連の処理を不可分（アトミック）に行う命令です。C++では std::atomic クラスの compare_exchange_weak または compare_exchange_strong を通じて利用します。
ロックフリーとは、システム全体として常に何らかの処理が前進している状態を指します。ミューテックスを使わないためデッドロックの心配はありませんが、競合が激しい場合にはループによる再試行が繰り返される「ライブロック」のリスクを考慮しなければなりません。
3. 実装/解決策
CASを利用する際は、必ずループ構造を用いるのが定石です。
1. 現在の値を読み込む（load）
2. 次の状態を計算する
3. compare_exchange_weak で値の更新を試みる
4. 失敗した場合は、更新された最新の値が引数に反映されるため、ループの先頭に戻り再試行する
compare_exchange_weak は、ハードウェアレベルで「ロードリンク/ストア条件付き（LL/SC）」命令をサポートするARMアーキテクチャなどで効率的に動作するため、ループ構造と組み合わせて使用するのが一般的です。
4. サンプルプログラム
以下は、アトミックなカウンタを実装した例です。
include
include
include
// アトミックなカウンタクラス
class LockFreeCounter {
private:
std::atomic
public:
void increment() {
int expected = value.load();
// compare_exchange_weak は失敗時にexpectedを最新値で更新する
// そのため、ループ内で再試行が自然に継続される
while (!value.compare_exchange_weak(expected, expected + 1)) {
// ここで何もしなくても、expectedは更新されている
}
}
int get() const { return value.load(); }
};
int main() {
LockFreeCounter counter;
std::vector
// 10スレッドで同時にインクリメントを実行
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
threads.emplace_back([&counter]() {
for (int j = 0; j < 1000; ++j) counter.increment();
});
}
for (auto& t : threads) t.join();
std::cout << "最終的なカウンタ値: " << counter.get() << std::endl;
return 0;
}
5. 応用・注意点
ロックフリー実装において最も注意すべきは「ABA問題」です。これは、値が「A→B→A」と変化した際、CASが「値がAから変わっていない」と誤認して成功してしまう現象です。この問題を防ぐには、世代管理（ポインタにカウンタを付与する等）や、メモリ再利用アルゴリズム（Hazard PointerやRCUなど）の導入が不可欠です。
また、CASはメモリバスを排他的に制御するため、競合が極端に多い環境では、ミューテックスを用いた実装よりも性能が低下する場合もあります。まずは std::atomic::fetch_add のような専用の算術演算命令で代用できないか検討し、どうしても複雑なデータ構造の同期が必要な場合にのみCASを選択するようにしてください。
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