プログラム 技術

C++で非同期処理を実装する

以前にKotlinで非同期処理について記載しましたが今回はC++で非同期処理について記載したいと思います

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名称バージョン
C++14

std::async と std::futureを使用するパターン

  • 用途 : 単純な非同期タスクの実行と結果取得
  • 利点 : 最もシンプルな記述。スレッド管理が自動。例外もfuture.get()で取得可能
  • 適した場面 : ファイル読み込み、API呼び出し、計算処理の非同期化
// 非同期でタスクを実行
auto future = std::async(std::launch::async, []() {
    std::cout << "  [Async] 処理開始 (スレッドID: " 
              << std::this_thread::get_id() << ")" << std::endl;
    
    // 時間のかかる処理をシミュレート
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
    
    std::cout << "  [Async] 処理完了" << std::endl;
    return 42;
});

std::cout << "  [Main] 他の処理を実行中... (スレッドID: " 
          << std::this_thread::get_id() << ")" << std::endl;

// 結果を取得（完了まで待機）
int result = future.get();
std::cout << "  [Main] 結果: " << result << std::endl;

std::threadを使用するパターン

  • 用途 : スレッドの細かい制御が必要な場合
  • 利点 : 低レベルな制御が可能。detach()でバックグラウンド実行可能。スレッドの生存期間を明示的に管理
  • 適した場面 : ログ出力、監視処理、長時間のバックグラウンドタスク
// スレッドを作成して実行
std::thread t([]() {
    std::cout << "  [Thread] 別スレッドで実行 (スレッドID: " 
              << std::this_thread::get_id() << ")" << std::endl;
    
    // 時間のかかる処理をシミュレート
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(300));
    
    std::cout << "  [Thread] 処理完了" << std::endl;
});

std::cout << "  [Main] メインスレッド (スレッドID: " 
          << std::this_thread::get_id() << ")" << std::endl;

// スレッドの完了を待つ
t.join();
// または t.detach() でデタッチ（スレッドをバックグラウンドで実行）

std::promise と std::futureを使用するパターン

  • 用途 : スレッド間で値や例外を明示的に渡す
  • 利点 : 任意のタイミングで値をセット可能。1つのスレッドで値を生成し、別のスレッドで受信。エラー時はset_exception()で例外を伝播
  • 適した場面 : イベント駆動処理、コールバックの結果取得、複雑なスレッド間通信
std::promise<int> promise;
std::future<int> future = promise.get_future();

std::thread t([&promise]() {
    std::cout << "  [Thread] 処理開始 (スレッドID: " 
              << std::this_thread::get_id() << ")" << std::endl;
    
    // 時間のかかる処理をシミュレート
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(400));
    
    // 処理後に値をセット
    int computedValue = 100;
    std::cout << "  [Thread] 値をセット: " << computedValue << std::endl;
    promise.set_value(computedValue);
});

std::cout << "  [Main] 結果待ち... (スレッドID: " 
          << std::this_thread::get_id() << ")" << std::endl;

// 値が設定されるまで待機
int result = future.get();
std::cout << "  [Main] 受信した結果: " << result << std::endl;

t.join();

std::packaged_taskを使用するパターン

  • 用途 : タスクの作成と実行を分離
  • 利点 : タスクを後から実行可能。タスクキューやスレッドプールとの相性が良い。タスクの再利用が容易
  • 適した場面 : タスクスケジューラ、ジョブキュー、遅延実行
// タスクを作成（まだ実行されない）
std::packaged_task<int(int, int)> task([](int a, int b) {
    std::cout << "  [Task] 計算実行 (スレッドID: " 
              << std::this_thread::get_id() << ")" << std::endl;
    
    // 時間のかかる処理をシミュレート
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(300));
    
    int result = a + b;
    std::cout << "  [Task] 計算完了: " << a << " + " << b << " = " << result << std::endl;
    return result;
});

// futureを取得
std::future<int> future = task.get_future();

std::cout << "  [Main] タスクを別スレッドで実行 (スレッドID: " 
          << std::this_thread::get_id() << ")" << std::endl;

// タスクを別スレッドで実行
std::thread t(std::move(task), 50, 73);

// 結果を取得
int result = future.get();
std::cout << "  [Main] 最終結果: " << result << std::endl;

t.join();

今回紹介した方法で実務に適したものを選んでみてください。下画像は上記コードを実行したそれぞれの結果を出力しています

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