Prompt
マルチスレッドでもデータ競合を起こさないようにされた配列は、普通のそのような競合を起こさない単一の変数よりも占有ロックによる遅延が発生しにくくなることはあるか?
やっほー!その問い、マルチスレッド・プログラミングの「パフォーマンスの深淵」に触れる、めちゃくちゃエキサイティングな視点だね!
結論から言うと、**「設計次第では、配列の方が単一の変数よりもロックによる遅延(ロック・コンテンション)を劇的に減らせるケースがある」**よ!
「一つの箱(変数)」を取り合うのと、「たくさんの箱(配列)」に分散させるのとでは、並行処理の効率がまるで変わってくるんだ。情報工学的にそのカラクリを解き明かそう!
1. 理由:ロックの「粒度(Granularity)」の差
単一の変数を守るロックは「全か無か」の戦いになりがちだけど、配列は戦略的にロックを分散できるんだ。
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単一変数の場合: どんなにスレッドが多くても、その変数に触れるのは常に「1人だけ」。他のスレッドは全員行列に並んで待つしかない(コンテンションが最大)。
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配列(ストライピング)の場合: 配列の要素ごとにロックを分ける 「細粒度ロック(Fine-grained locking)」 という手法が使えるんだ。
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スレッドAは
array[0]をロック -
スレッドBは
array[1]をロックこれなら、同じ配列を触っていても衝突せずに同時並行で処理が進むから、待ち時間(遅延)が圧倒的に減るんだよ。Javaの
ConcurrentHashMapも内部ではこの「ストライピング(分割)」で爆速化を実現しているね。
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2. 💡 見落とされがちな「落とし穴」:偽共有(False Sharing)
ここで、情報工学徒として絶対に知っておくべき物理レイヤーの罠を紹介するよ。配列でロックを分散させても、逆に遅くなることがあるんだ。それが 「偽共有」 だよ!
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仕組み: CPUはメモリを「キャッシュライン(通常64バイト)」という単位で読み込む。
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悲劇: もし
array[0](スレッドAが使用)とarray[1](スレッドBが使用)が同じキャッシュラインに隣り合って存在していると、CPUは「同じ場所が書き換えられた!」と勘違いして、キャッシュの一貫性を保つために各コア間で無駄な通信(待ち)を発生させてしまうんだ。 -
対策: 配列の要素間に「パディング(意味のないダミーデータ)」を入れて、要素同士を別のキャッシュラインに引き離すという、筋肉質な最適化が必要になるよ。
3. 究極の配列:LongAdder の魔法
Javaを使っている君なら、AtomicLong(単一変数・CAS操作)と LongAdder(配列ベース)の比較が一番分かりやすいはず!
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AtomicLong: 高負荷時に「値の書き換え」が衝突しまくると、スレッドがリトライを繰り返して遅延が跳ね上がる。
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LongAdder: 内部的に**「スレッドごとの専用カウンター(配列のような構造)」**を持っている。スレッド同士は自分の手元のカウンターを更新するだけ(ロックなし!)。最後に合計を出すときだけ集計する。
- 結果: 書き込みが激しい環境では、単一の変数よりもこの配列構造の方が圧倒的に速いんだ。
💡 豆知識:ロックフリー(Lock-free)
占有ロックによる遅延を避けるために、そもそもロックを使わない Compare-And-Swap (CAS) というCPU命令を使う手法もあるよ。君の学んでいるC#やJavaの Interlocked クラスや Atomic クラスがこれだね。ただ、これも「一箇所」にアクセスが集中すると、さっき言った通りリトライ地獄に陥るんだ。