Reentrant（リエントラント）
英語表記: Reentrant
概要
リエントラントとは、ある関数やサブルーチンが、その実行中に中断されたとしても、安全に再度呼び出されることができる性質を指します。並行・並列処理（マルチスレッド）の文脈においては、複数のスレッドが同時に同じコードを実行しても、互いに干渉せず、正しく動作することを保証する「スレッドセーフ」を実現する重要な手段です。特に、同期制御のための複雑なロック機構を使わずに安全性を確保できる点が、高効率な並列プログラミングを実現する上で非常に魅力的です。
詳細解説
リエントラントなコードの最大の目的は、マルチスレッド環境における「同期制御の安全性」を、シンプルかつ高効率に担保することです。通常の同期制御では、クリティカルセクション（複数のスレッドからアクセスされる共有資源）を保護するためにロック（Mutexやセマフォ）を使用しますが、これにより処理が待機し、並列性が損なわれるリスクがあります。また、ロック機構はデッドロックや優先順位の逆転といった複雑な問題を引き起こす可能性も秘めています。
リエントラント性の仕組みと安全性
リエントラントな関数がこの問題を解決する方法は、「共有される変更可能な状態（Shared Mutable State）を持たないこと」に尽きます。これは、並行・並列処理の観点から見ると、データ競合（Data Race）の発生源を根本から断つ、最も強力なアプローチだと言えます。
具体的には、以下の原則を厳守します。
- 大域変数・静的変数の不使用: 複数のスレッドから同時にアクセス・変更されうる大域変数（グローバル変数）や静的変数（スタティック変数）といった共有データを一切使用しません。
- ローカル変数（スタック）の活用: 関数が必要とするデータはすべて、呼び出しごとに新しく確保されるスタック（ローカル変数）上に置かれます。また、入力データは引数としてのみ受け取ります。
これにより、たとえスレッドAが関数の途中で処理を中断され、CPUの制御がスレッドBに移り、スレッドBが同じ関数に再突入（リエントリ）したとしても、スレッドBが使用するデータ領域はスレッドAのデータ領域とは完全に独立しています。
この独立性こそが、並行処理におけるデータ競合を防ぎ、真の「スレッドセーフ」を実現する鍵となります。ロック機構が不要なため、デッドロックの心配もなく、システムコールのオーバーヘッドも最小限に抑えられます。これは、同期制御の設計において非常に洗練された、理想的なアプローチだと言えるでしょう。
ロック方式との性能比較
リエントラントな設計は、特に高性能が要求されるシステム、たとえばリアルタイムOSや高頻度取引システムなどで重宝されます。なぜなら、従来の「排他制御」に基づく同期方法（Mutexやセマフォ）は、ロックを獲得・解放するたびにシステムコールが発生し、コンテキストスイッチなどのオーバーヘッドを伴うため、処理速度が犠牲になりがちだからです。
一方で、リエントラントなコードは、ロック操作そのものを不要にするため、競合による待ち時間やシステム負荷がゼロになり、真の並列実行の恩恵を享受できます。マルチコアCPUが主流となった現代の並行・並列処理において、リエントラント性は、性能と安全性を両立させるための、最も重要な「同期制御と安全性」の実現方法の一つなのです。
具体例・活用シーン
1. 公共ロッカーのメタファー
リエントラント性の概念を理解するために、「公共のロッカー」のメタファーを考えてみましょう。
- 非リエントラントなロッカー（スレッド非安全）: 以前の利用者が荷物を置いたまま、鍵を開け放しにして立ち去ってしまった共有ロッカー（静的変数）を想像してください。次に利用した人が、前の利用者の荷物の上に自分の荷物を置いてしまい、データが混ざってしまいます。これは、処理の中断と再突入によって状態が破壊される典型的なデータ競合です。
- リエントラントなロッカー（スレッド安全）: このロッカーは、共有される収納スペースを持ちません。代わりに、利用者が来るたびに、個人専用のバッグ（スタック／ローカル変数）が自動で渡され、すべての作業はそのバッグの中で完結します。Aさんが作業を中断しても、AさんのバッグはAさんの作業台に残っています。Bさんが次にロッカーを利用しても、Bさんは自分専用の新しいバッグを使うため、Aさんの作業に一切影響を与えません。
このように、リエントラントなコードは、共有される「状態」を持たず、必要な情報はすべてローカルに完結しているため、誰がいつ、何回利用しても安全なのです。
2. 実際の活用シーン
- 割り込み処理ルーチン（ISR）: リアルタイムシステムでは、メイン処理の実行中に突然ハードウェア割り込みが発生し、割り込みハンドラが実行されます。このハンドラが、メインルーチンと同じ関数を呼び出す可能性があります。この際、関数がリエントラントでなければ、メインルーチンの状態が破壊され、システムクラッシュにつながります。したがって、割り込み処理に関連するコードは、極めて高いレベルでリエントラント性が求められます。
- 純粋関数（Pure Function）: 入力が同じであれば必ず同じ出力を返し、外部の状態を一切変更しない関数（数学的な計算を行う関数など）は、本質的にリエントラントです。これらの関数は、マルチスレッド環境下で安心して利用できます。
- 標準ライブラリの設計: ITシステムで頻繁に利用される標準ライブラリ関数（例: 文字列操作や数学計算）の多くは、現代のマルチスレッド環境での安全性を確保するために、リエントラントになるように設計されています。
資格試験向けチェックポイント
ITパスポート試験や基本情報技術者試験、応用情報技術者試験では、並行・並列処理における「同期制御と安全性」の手段として、リエントラント性が出題されます。特に以下のポイントを押さえておくと、試験対策が万全になります。
- リエントラント vs. スレッドセーフ:
- 重要: リエントラントなコードは必ずスレッドセーフです。しかし、スレッドセーフなコードがリエントラントであるとは限りません。スレッドセーフはロック（排他制御）によって実現される場合もありますが、ロックを使用する関数は、一般的にリエントラントとは見なされません。この包含関係は応用情報技術者試験レベルで頻出します。
- 実現手段の特定:
- リエントラントの実現手段として、「大域変数（グローバル変数）や静的変数（スタティック変数）の不使用」が最も頻出するキーワードです。代わりに、呼び出しごとに独立したメモリ領域であるスタック領域（ローカル変数）のみを使用する点を覚えておきましょう。
- 割り込み処理との関連性:
- リエントラント性は、特に割り込み処理（Interrupt）が発生する環境で必須の要件となります。割り込みハンドラがメインルーチンと同じ関数を呼び出しても安全である、という文脈で問われることが多いです。
- 性能と安全性の両立:
- リエントラント設計は、ロック機構によるオーバーヘッドを避けることができるため、並行処理における性能（高速性）と安全性（データの整合性）を両立させる理想的なアプローチとして認識されています。同期制御の手段を問う問題では、この性能面のメリットがしばしば選択肢に含まれます。
