5/15 Thread - 2023 Game Design a

たとえば1人で味噌汁を作るときのことを考えよう。具材を包丁で切っているときにお湯が沸いた。人間なら包丁の手を止めてコンロを弱めるなり，出しを取る作業をするなりしてからまた包丁に戻ることができる。ところがこれに相当することをプログラミングせよとなると要領の悪い仕事になる。単純に書かれた以下のようなプログラム例で考えよう。


 お湯を沸かし始める
 while 野菜がある間
  包丁でトントン
end

 沸いたお湯に入れる

人間なら機転を利かせられるものの，コンピュータは指示以外には動けないため「包丁でトントン」の while ～ end を行なっている間は，お湯が沸騰して鍋がゆれても構うことができない。では，while から end の中に「もし，お湯が沸いたら○○する」のようなif文を入れればよいのだろうか。ところがお湯の量の割に火力が強くて，「包丁でトントン」する前に沸騰するかもしれない。となれば「もし，お湯が沸いたら○○する」を while の前の行にも入れる必要が出てくる。さらに，お湯を沸かす以外に「電子レンジで様子を見ながら冷凍色材を解凍」という処理が増えたら……? と考えを進めると，プログラムはどんどん複雑化する。

これまで作成したプログラムでは，実行するときにまさに「実行」している部分はつねに1箇所である。つまり処理の流れを辿ると1本の線で表せる。 Rubyでは，動作中の単一プログラムの実行の流れを2本以上にすることができる。これを表現するのが Thread である。Thread を利用すると，下図のB:とC:の流れを並行して進めることができる。

	A:お湯を沸かし始める


【B:野菜を切る流れ】 while 野菜がある間包丁でトントン end 出しを取る流れと合わせる		【C:出しを取る流れ】温ったら出しの材料投入 while 煮立っていない待つ end 弱火にする野菜を切る流れと合わせる


	D:鍋に野菜を入れて……

Threadの基本的使い方

A
t = Thread.new do
  B
end
C
t.join
D

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。join メソッドにより，2つの処理の流れが歩調を合わせて1本に戻り， B，C 両方が完了してから D の実行に移る。先述の fork は全く違うプロセスが2つ存在しているため，それぞれ別々の変数管理でその後のプログラム実行が進むのに対し，Thread の場合は2つの実行の流れが全く同じプロセスで動くため変数は共有される。以下のプログラムは，変数 x の値を，同時進行する2つのスレッドで同時に操作している。実際に動かして試してみよ。

#!/usr/bin/env ruby
# -*- coding: utf-8 -*-

x = 1
t = Thread.new do
  # ここは子のみが実行するところ
  5.times do
    STDERR.print("\e[32m")      # 子スレッドが走るときに端末文字色を緑に
    x=5; sleep 0.2
  end
end
while t.alive?
  # ここが親スレッド
  STDERR.printf("\e[mx=%dに1足すと:", x) # ESC [ m で標準色に戻す
  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
  :
  :

なお，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。

Mutexによる競合回避

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、他のスレッドから保護しつつ完遂させる必要がある場合は Mutex を利用する。th.rb では変数 x に対する処理が競合していたが，これを 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
# coding: euc-jp
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 {
      STDERR.print("\e[32m")
      x=5; sleep 0.2
    }
    Thread.pass
  end
end
while t.alive?
  m.synchronize {
    STDERR.printf("\e[mx=%dに1足すと:", x)
    sleep 0.05
    x += 1
    STDERR.printf("%d\n", x)
  }
  Thread.pass
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。

synchronizeブロックの後ろにある Thread.pass は，他のスレッドに制御を譲るためのものである(後述)。

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、制限時間付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、制限時間付きクイズを行なうものである。

#!/usr/koeki/bin/ruby
# -*- coding: utf-8 -*-

# 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

走行中のスレッドは、別のスレッドから操作することができる。

たとえば t = Thread.new {...} として t に得たスレッドオブジェクトを介して以下の操作ができる(抜粋)。

これらを用いて，親スレッドから子スレッドの停止・再開制御を行なう例を示す。

#!/usr/bin/env ruby
# -*- coding: utf-8 -*-

stop = false
bakudan = Thread.new do
  # 子スレッドのブロック
  puts ''                       # 1行空けておく
  begin
    timer = 11
    while true
      Thread.stop if stop       # stop変数が真ならスレッド実行停止
      # ESC 7 はカーソル位置保存，ESC [ 1 A は1行上，ESC 8 は位置復帰
      STDERR.printf("\e7\e[1A\r爆発 %2d秒前  \e8", timer-=1)
      break if timer < 1
      sleep 1
    end
  ensure
    puts "\nどかあああーーん!!" # 何をやっても必ず実行(ensureブロック)
    exit
  end
end

# メインスレッドのループ
sleep 0.01                       # こちらが僅かにあとで実行されるよう
while bakudan.alive? do
  STDERR.print "コマンド入力(a～zのどれか):  \b"
  cmd = gets.chomp
  case cmd
  when "s"
    if stop then
      bakudan.run
      stop = false
    else
      stop = true
    end
  when "k"
    STDERR.puts "壊してみよう(Thread.kill)"
    bakudan.kill
    break
  when "q"
    STDERR.puts "逃げてみよう(exit)"
    exit
  end
  STDERR.print "\e[1A"                 # 1行上に戻しておく
end
puts ''

このプログラムを起動し，s を入力すると， bakudanスレッドが走行中なら停止(Thread.stop)し，停止中なら開始(bakudan.run)する。k を入力するとスレッドをkill(bakudan.kill)し， q を入力するとプログラムそのものの実行を終了する。

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
# -*- coding: utf-8 -*-
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(:QUIT, 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。

`t.alive?`	スレッドtが活きているかの真偽を返す
`t.stop`	スレッドtを停止させる
`t.run`	停止中のスレッドtの実行を再開する
`t.kill`	スレッドtを終了させる
`t.status`	スレッドtの状態を返す("run", "sleep", "aborting"のいずれか)
`Thread.pass`	現在実行中のスレッドから他のスレッドに実行権を譲る