レースコンディション

2025年11月17日

レースコンディション

英語表記: Race Condition

概要

レースコンディションとは、複数の並行プロセスやスレッドが共有リソースにアクセスする際、それらの実行順序やタイミングによってプログラムの最終的な結果が非決定的に変化してしまう現象を指します。これは「並行・並列処理」において、本来確保すべき「同期制御と安全性」が不十分であるために発生する、典型的な「並行バグ」の一つです。結果が実行ごとに変わるため、バグの再現やデバッグが非常に困難になるという、プログラマにとって最も厄介な問題の一つと言えます。

詳細解説

レースコンディションは、並行処理環境における共有データの取り扱い方に根本的な問題がある場合に発生します。この概念を理解するためには、まずクリティカルセクション（Critical Section：複数のプロセスが同時にアクセスしてはならない共有資源を操作するプログラムの領域）の理解が不可欠です。

このバグが発生するメカニズムは、主に「アトミック（不可分）でない操作」が原因です。例えば、共有変数Xの値を読み込み（Read）、その値を計算によって修正し（Modify）、そして新しい値を書き戻す（Write）という一連の操作は、多くの場合、CPUにとっては複数のステップに分かれています。

もし、スレッドAがXの値を読み込んだ直後、まだ書き戻しを行っていないタイミングで、スレッドBが割り込み、Xの値を読み込み、修正し、先に書き戻してしまったとします。その後、スレッドAが動作を再開し、自分が最初に読み込んだ古い値に基づいて計算した結果を書き戻してしまうと、スレッドBが行った変更が上書きされて消滅してしまいます。これが「ロストアップデート（Lost Update）」と呼ばれる典型的なレースコンディションの結果です。

これは「同期制御と安全性」の観点から見ると、排他制御（Mutual Exclusion）が適切に機能していないことを意味します。並行処理では、共有資源へのアクセスを一時的にロックし、一つのスレッドだけが操作できるようにする仕組み（Mutexやセマフォなど）を導入することで、レースコンディションを防ぎます。レースコンディションが発生している状態は、まさにこの排他制御が漏れているか、あるいは実装されていない状態なのです。

このバグが非常に厄介なのは、特定の環境や負荷がかかった「タイミング」でのみ発生し、再現性が極めて低い「非決定性」を持つ点です。開発者がデバッガを起動してステップ実行すると、タイミングがずれてバグが消えてしまうことがよくあります（これを「Heisenbug」と呼ぶこともあります）。したがって、並行処理を扱う際は、設計段階からクリティカルセクションを明確にし、同期制御の仕組みを徹底して導入することが、安全性を確保するための絶対条件となります。

具体例・活用シーン

レースコンディションは、特にデータベースやマルチスレッドアプリケーション、さらにはOSのカーネル内部など、共有資源が頻繁に利用されるあらゆる場面で発生する可能性があります。

1. 銀行口座の残高引き出し（典型的な例）

状況: 銀行口座の残高が10万円。利用者Aと利用者Bが同時にそれぞれ5万円を引き出そうとします。
理想的な動作: Aが引き出し（10万→5万）、その後Bが引き出し（5万→0万）。最終残高は0円。
レースコンディション発生時:
1. Aが残高（10万）を読み込む。
2. 割り込み: Bが残高（10万）を読み込む。
3. Bが5万を引き出し、残高を5万に更新する。
4. Aが動作を再開し、自分が読み込んだ10万から5万を引いた結果（5万）を書き戻す。
結果: 最終残高は5万円となり、本来合計10万円引き出されたはずなのに、口座にはまだ5万円が残っているという矛盾した状態になります。これは「並行バグ」の中でも、特に財務システムにおいては許されない重大な安全性欠陥です。

2. 共有プリンタのキュー管理（身近な例）

状況: 複数のユーザーがネットワークプリンタに印刷ジョブを送っています。ジョブ番号を管理する共有カウンタ（例えば、次のジョブは10番）があります。
アナログな比喩：共同のチケット発券機
これは、行列に並んでいる二人が、一台の古いチケット発券機を同時に使おうとする状況に似ています。
1. Aさんが発券機に手を伸ばし、現在の番号「10」を確認します。
2. Aさんがまだボタンを押していない間に、Bさんが別の手でボタンを押してしまい、発券機内部のカウンタが「11」に更新されます。
3. Aさんは自分が最初に確認した「10」に基づいて「発券」ボタンを押します。
4. 結果として、Aさんが受け取るチケットは「11」かもしれませんが、システム側で処理されるジョブ番号のインクリメントが二重に行われなかったり、あるいはBさんが受け取った番号と重複したりする可能性があります。
  このアナログな話で重要なのは、「読み込み」と「更新」が別々の操作であり、その間に他者の操作が割り込む余地があるということです。

3. Webセッション管理

Webアプリケーションにおいて、ユーザーのセッション情報を共有キャッシュサーバーに保存している場合、同じユーザーが短時間に複数のリクエストを送信すると、セッションデータの更新が競合し、一方の更新が失われ、ログイン状態やカートの中身が突然不正になることがあります。これも並行処理環境における典型的なレースコンディションです。

資格試験向けチェックポイント

レースコンディションは、IT Passport、基本情報技術者試験（FE）、応用情報技術者試験（AP）のいずれにおいても、「並行・並列処理」分野の「同期制御と安全性」に関する知識を問う上で非常に重要なキーワードです。

IT Passport / 基本情報技術者試験向け
- 定義の理解: 「複数の処理が共有データにアクセスするタイミングによって結果が変わる現象」を指すことを確実に覚えてください。
- 原因: 主に「排他制御（ロック）の不備」や「クリティカルセクションの保護の漏れ」によって発生します。
- 対策: 排他制御（Mutexやセマフォ）を用いてクリティカルセクションを保護することが基本中の基本です。
- 頻出問題: 銀行口座の例（ロストアップデート）を用いて、どのタイミングで結果がおかしくなるかを問う問題。
応用情報技術者試験向け
- 非決定性 (Non-determinism): レースコンディションの結果が予測不可能であり、デバッグが難しい理由としてこの言葉が使われます。
- デッドロックとの区別: レースコンディションは「結果が間違ってしまう」バグですが、デッドロックは「処理が永久に停止してしまう」状態であり、原因も結果も異なります。この違いを明確に説明できるようにしておく必要があります。
- 同期メカニズム: Mutex、セマフォ、モニタなどの具体的な同期制御機構が、どのようにレースコンディションを防ぐのか、その動作原理を理解することが求められます。
- 文脈の認識: レースコンディションは、並行処理における「安全性（Safety）」を損なう代表的なバグである、という文脈をしっかり押さえてください。