5/15 Thread - 2011 Programming Fundamentals III

動作中の単一Rubyプログラムの実行の流れを複数持たせられる。これを表現するのが Threadクラスである。

Threadの基本的使い方

A
Thread.new do
  B
end
C

このような形式で新しいスレッドが生成され，B の部分と C の部分の実行が同時に進む。しかし，forkと違い全く同じプロセスで動くため変数は共有される。以下のプログラムを試してみよ。

#!/usr/bin/env ruby

x = 1
t = Thread.new do
  # ここは子のみが実行するところ
  5.times do
    x=5; sleep 0.2
  end
end
while t.alive?
  # ここが親スレッド
  STDERR.printf("x=%dに1足すと:", x)
  sleep 0.05
  x += 1
  STDERR.printf("%d\n", x)
end
t.join
puts

このプログラムで x の値を出力しているのは色を変えた親スレッドの部分のみで、そこではそれまでの x の値に 1を足した結果を出しているのにもかかわらず、出力結果にはところどころ 1を足した結果になっていないものが見られる。

./th.rb
x=5に1足すと:6
x=6に1足すと:7
x=7に1足すと:8
x=8に1足すと:6
x=6に1足すと:7
x=7に1足すと:8
x=8に1足すと:6
x=6に1足すと:7
x=7に1足すと:8
  :
  :

スレッドはいくつに分かれても，プログラムの実行主体となるプロセスは1つなので，どれか1つのスレッドがexitすると親スレッドを含めたすべてのスレッドが終了することになる。

Mutex

複数のスレッドで共有アクセスするデータがあるときに一連の処理を、他のスレッドからロックしつつ完遂させる必要がある場合は Mutex を利用する。th.rb を Mutex の synchrozize で競合から保護するように修正した例を示す。

#!/usr/bin/env ruby
require 'thread'

m = Mutex.new
x = 1
t = Thread.new do
  # ここは子のみが実行するところ
  5.times do
    m.synchronize {
      x=5; sleep 0.2
    }
  end
end
while t.alive?
  m.synchronize {
    STDERR.printf("x=%dに1足すと:", x)
    sleep 0.05
    x += 1
    STDERR.printf("%d\n", x)
  }
end
t.join

実行した場合、以下のように「1足す」という結果は正しくなる。

スレッドどうしの制御

複数のスレッドを生成し、あるスレッドが別のスレッドの実行を制御するようにすると、制限時間つきのプログラムなどが比較的容易に作れる。

以下のプログラムは、次々と出る問題に対する解答の入力を5秒だけ待つような、制限時間つきクイズを行なうものである。

#!/usr/koeki/bin/ruby -Ke

# 問と解を列挙。本来ファイルから読むべきだが主題はスレッドなので簡略化
questions = [
             ["この時間習っている言語は", "ruby"],
             ["ファイル一覧を出すコマンドは", "ls"],
             ["ファイルを表示・結合するコマンドは", "cat"],
             ["ファイルを削除するコマンドは", "rm"],
             ["ファイルを移動(リネーム)するコマンドは", "mv"]
  ]

n = 0                           # 問題番号
hit = 0                         # 正解数
STDOUT.sync = true
for q, a in questions
  reply = nil
  t = Thread.new do
    printf("%c[2J%c[1;1H", 27, 27) # 画面消去のエスケープシーケンス
    printf("第%d問 %s: ", n+=1, q)
    reply = gets.chomp
    if reply == a then
      print("正解!")
      hit += 1
    else
      print("ハズレ!\n")
    end
    t.exit
  end
  sleep 5
  if t.alive? then
    t.kill
    print(" 残念!\n")
    sleep 1
  end
end
printf("\n%d問正解\n", hit)
if hit < q.length/2 then
  print("トルネードです。ぐるぐるー\n")
end

プロセスとスレッドの組み合わせ

forkとexec は外部プログラムを起動するときにしばしば利用する。既に述べたようにexec で外部プログラムを起動することが失敗することもある。それに対応するプログラムは以下のようになる。

#!/usr/bin/env ruby
cmd = ARGV[0] || "kterm"

if (pid = fork()) then
  # 親プロセスのみ
  th = Process.detach(pid)
  t2 = Thread.new do
    th.join
    STDERR.puts "終わったようだ"
    exit 3
  end
else
  # 子プロセスのみの処理はここ
  begin
    exec(cmd)
  rescue
    STDERR.puts "\e[31m起動失敗\e[m"
    exit 1
  end
end

STDERR.printf("%s について: 終了を待つ=w killする=k 放置=その他: ", cmd)
k = STDIN.gets

if !th.alive? then
  STDERR.puts "と，思ったらこけちゃったみたい"
  exit 2
end
case k
when /^k/i
  STDERR.puts "ボシュっ"
  Process.kill(:KILL, pid)
when /^w/i
  STDERR.puts "じゃ，待ちます。"
  Process.wait
else
  STDERR.puts "じゃ，わしゃ勝手に終わります。さいなら。"
end

このプログラムは ARGV[0] を指定するとそれを起動コマンドとしてexecを試みる。わざと間違ったコマンドを指定してみる。

./f+e+t.rb ktermmm
ktermmm について: 終了を待つ=w killする=k 放置=その他: 起動失敗
終わったようだ

Process.detach() は，引数に指定したPIDを持つプロセスが終了するのを待つだけのスレッドを終了する。したがって，そのスレッドがすぐに終わったことを検出するもう1つのスレッドを生成しておけば，親プログラム自体を制御できるようになる。それが t2 に代入している Thread.new の部分である。