sizeof(size_t)未満の幅の型の、メモリ上隣り合った変数に関して、マルチスレッドプログラムはデータ競合なく読み書きできますか?
はい、できます。C++言語仕様は、異なるスレッドから 異なる変数 に対してそれぞれ同時アクセスしても安全であることを保障します。
特別な管理によって配列の同じインデックスにアクセスすることはないが、小さな型のとき隣り合った要素アクセスにはデータ競合が生じるか(アクセスした要素の周囲の要素が、意図しない値になるか)
前述の通り、データ競合は発生しません。最もサイズが小さいchar
型の配列であっても、下記コードは安全に実行されます。
char arr[2] = {1, 2};
// スレッド1
arr[0] = 100;
// スレッド2
int r = arr[1];
C++言語としてはプログラムが安全に動作することを保障しますが、現実的にはプログラムは正常動作するものの速度ペナルティを受けることがあります。現代のプロセッサはメモリキャッシュ(Memory cache)機構を備えており、この速度ペナルティはキャッシュ管理単位「キャッシュライン(Cache line)」に起因します。
例えばchar
型配列の隣接要素はC++言語としては異なる変数ですが、プロセッサはこれらを同一キャッシュラインとして扱います。この状況を「False Sharing(偽共有)」と呼びます。
False Sharing が起きている状況で、異なるスレッドから書込(arr[0]=100
)と読込(r=arr[1]
)を行うと同一キャッシュラインに対する読み書き競合が発生し、プログラム実行速度が低下するという事象が発生します。あくまでも処理が遅くなるだけで、プログラムは正しく動作します。
C++17からは False Sharing を回避する、つまり隣接する変数のメモリアドレスを意図的に離す仕組みを提供します。
// 通常は同一構造体内の2個のatomic<int>変数は隣接メモリアドレスに配置される。
// alignas(~)により2個の変数アドレスがキャッシュラインサイズの倍数に整列、
// つまり必ず異なるキャッシュラインに載るようメモリ位置を離すよう指示する。
struct keep_apart {
alignas(std::hardware_destructive_interference_size) std::atomic<int> cat;
alignas(std::hardware_destructive_interference_size) std::atomic<int> dog;
};