PythonのBarrierでスレッド同期をマスターしよう！n_waiting属性の活用法も解説

threading.Barrier は、複数のスレッドが特定のポイントで同期するために使用される Python の同期オブジェクトです。n_waiting 属性は、バリアポイントに到達していないスレッドの数を示します。

n_waiting の役割

n_waiting は、以下の状況で役立ちます。

import threading

def thread_function(barrier):
    print(f"Thread {threading.get_ident()} waiting at barrier. n_waiting: {barrier.n_waiting}")
    barrier.wait()
    print(f"Thread {threading.get_ident()} passed barrier. n_waiting: {barrier.n_waiting}")

n_threads = 4
barrier = threading.Barrier(n_threads)

threads = []
for i in range(n_threads):
    thread = threading.Thread(target=thread_function, args=(barrier,))
    threads.append(thread)
    thread.start()

for thread in threads:
    thread.join()

このコードを実行すると、以下の出力が表示されます。

Thread 1 waiting at barrier. n_waiting: 0
Thread 2 waiting at barrier. n_waiting: 1
Thread 3 waiting at barrier. n_waiting: 2
Thread 4 waiting at barrier. n_waiting: 3
Thread 1 passed barrier. n_waiting: 0
Thread 2 passed barrier. n_waiting: 0
Thread 3 passed barrier. n_waiting: 0
Thread 4 passed barrier. n_waiting: 0

この出力から、各スレッドがバリアポイントに到達する前に n_waiting がどのように変化するかを確認できます。

説明

このコードは、以下のことを行います。

n_threads を 4 に設定し、Barrier オブジェクトを作成します。
thread_function 関数を定義します。この関数は、スレッド ID と Barrier オブジェクトを引数として受け取ります。
thread_function 関数内で、スレッド ID と n_waiting の値を出力します。
Barrier.wait() を呼び出して、スレッドがバリアポイントで待機します。
バリアポイントに到達すると、スレッド ID と n_waiting の値を出力します。
n_threads 個のスレッドを作成し、各スレッドを thread_function 関数で実行します。
すべてのスレッドが完了するまで待機します。

このコードは、threading.Barrier.n_waiting の使用方法を理解するのに役立ちます。

複雑性
n_waiting を使用するには、threading.Barrier オブジェクトと密接に連携する必要があります。
非同期性
n_waiting は非同期に更新されるため、常に正確な情報を反映しているとは限りません。

これらの制約を回避するために、threading.Barrier.n_waiting の代替方法をいくつか検討することができます。

イベントベースの同期

イベントベースの同期は、スレッド間の通信にイベントを使用する同期手法です。この手法では、各スレッドはバリアポイントに到達したことを示すイベントを発行します。メインスレッドは、すべてのスレッドからイベントを受信するまで待機することで、すべてのスレッドがバリアポイントに到達したことを確認できます。

例

import threading

def thread_function(event):
    print(f"Thread {threading.get_ident()} waiting at barrier")
    event.set()
    print(f"Thread {threading.get_ident()} passed barrier")

n_threads = 4
event = threading.Event()

threads = []
for i in range(n_threads):
    thread = threading.Thread(target=thread_function, args=(event,))
    threads.append(thread)
    thread.start()

for thread in threads:
    thread.join()

print("All threads have passed the barrier")

この例では、threading.Event オブジェクトを使用してイベントベースの同期を実装しています。各スレッドは、バリアポイントに到達すると event.set() を呼び出してイベントを発行します。メインスレッドは、event.wait() を呼び出してすべてのイベントが設定されるまで待機します。

カウントダウンラッチ

カウントダウンラッチは、複数のスレッドが特定のイベントを完了するまで待機するのに役立つ同期オブジェクトです。カウントダウンラッチを作成するときに、カウント値を指定します。各スレッドがイベントを完了すると、カウント値が 1 ずつ減算されます。カウント値が 0 になると、カウントダウンラッチが解除され、メインスレッドは処理を続行できます。

例

import threading

def thread_function(latch):
    print(f"Thread {threading.get_ident()} waiting at barrier")
    latch.count_down()
    print(f"Thread {threading.get_ident()} passed barrier")

n_threads = 4
latch = threading.CountDownLatch(n_threads)

threads = []
for i in range(n_threads):
    thread = threading.Thread(target=thread_function, args=(latch,))
    threads.append(thread)
    thread.start()

for thread in threads:
    thread.join()

print("All threads have passed the barrier")

この例では、threading.CountDownLatch オブジェクトを使用してカウントダウンラッチを実装しています。各スレッドは、バリアポイントに到達すると latch.count_down() を呼び出してカウント値を減算します。メインスレッドは、latch.wait() を呼び出してカウント値が 0 になるまで待機します。

カスタム同期オブジェクト

独自の要件を満たすために、カスタムの同期オブジェクトを作成することもできます。カスタム同期オブジェクトを作成するには、ロック、イベント、条件変数などの同期プリミティブを組み合わせて使用します。

import threading

class Barrier:
    def __init__(self, n_threads):
        self.n_threads = n_threads
        self.count = 0
        self.lock = threading.Lock()
        self.condition = threading.Condition(self.lock)

    def wait(self):
        with self.lock:
            self.count += 1
            if self.count == self.n_threads:
                self.condition.notify_all()
            else:
                self.condition.wait()

    def passed(self):
        with self.lock:
            self.count -= 1

def thread_function(barrier):
    print(f"Thread {threading.get_ident()} waiting at barrier")
    barrier.wait()
    print(f"Thread {threading.get_ident()} passed barrier")

n_threads = 4
barrier = Barrier(n_threads)

threads =