スレッド

2025年10月15日

スレッド

英語表記: Thread

概要

スレッドとは、オペレーティングシステム（OS）が管理する実行単位であり、特に「プロセス」という大きな実行環境の中で、実際に処理を行う最小単位の流れを指します。これは、ハードウェアとソフトウェアの関係において、OSがCPUという限られたリソースを最大限に活用するために作り出した、非常に重要な「抽象化レイヤ」の一つです。一つのプロセスの中に複数のスレッドが存在することで、アプリケーションは同時に複数の作業を進めることが可能になり、ユーザーの体感として応答性の高い動作を実現します。

詳細解説

OSによる抽象化としてのスレッドの役割

私たちが普段利用しているコンピュータは、CPUという物理的なハードウェア上で動いています。しかし、OSは、このCPUを直接操作させるのではなく、「プロセス」や「スレッド」といった論理的な概念を提供し、アプリケーション開発者が複雑なハードウェア操作を意識せずに済むようにしています。これが「OSによる抽象化レイヤ」の核心です。

スレッドは、この抽象化レイヤの中でも、特に「実行の流れ」を管理するために生み出されました。もともとOSは、プログラムを実行するたびに「プロセス」を生成していましたが、プロセスは専用のメモリ空間やリソースをすべて持ちます。そのため、異なる処理を並行して行いたい場合、毎回新しいプロセスを生成するのはコストが高すぎましたし、リソースの共有も困難でした。

そこで、OSは考えました。「リソース（メモリやファイルなど）は共有しつつ、実行の流れだけを複数に分けられれば、効率的で応答性の高いアプリケーションが作れるのではないか？」と。この発想から生まれたのがスレッドです。スレッドは「軽量プロセス」と呼ばれることもあり、プロセスが持つリソースを共有しながら、それぞれが独立した実行状態（プログラムカウンタ、レジスタ、スタックなど）を持つことができます。

プロセスとスレッドの決定的な違い

スレッドを理解する上で最も大切なのは、上位概念であるプロセスとの違いを明確にすることです。これは「プロセスとスレッド管理」という文脈において、OSがどのように階層的にリソースを管理しているかを理解する鍵となります。

スレッドは、リソース共有を可能にすることで、プロセス間の通信（IPC）よりも高速に、データ連携を行うことができます。これは、OSが提供する「抽象化レイヤ」の恩恵を最大限に受けるための仕組みだと言えますね。

マルチスレッディングの動作原理

アプリケーションがマルチスレッディング（複数のスレッドを同時に利用する技術）を採用すると、OSのスケジューラは、これらのスレッドに対してCPUの実行時間を割り当てます。

例えば、アプリケーションAの中にスレッドT1、T2、T3が存在するとします。OSは、T1を少し実行し、次にT2、T3というように、非常に短い時間で実行権を切り替えていきます。これが「時分割多重処理」です。

この実行権の切り替えのことを「コンテキストスイッチ」と呼びます。前述の通り、スレッドレベルでのコンテキストスイッチは、プロセスレベルのスイッチに比べて必要な情報量が少ないため、非常に高速です。この低コストな切り替えのおかげで、ユーザーは複数の作業が同時に進行しているように感じられます。

しかし、リソースを共有しているがゆえに、複数のスレッドが同時に同じデータ（例えば、共有メモリ上のカウンタ変数など）を書き換えようとすると、データの整合性が失われる可能性があります。この問題を防ぐために、「排他制御（Mutexやセマフォ）」といった仕組みが必要になります。これは、スレッド管理における最も難しく、かつ重要な課題の一つです。

具体例・活用シーン

スレッドの概念は、私たちが日常的に使う多くのソフトウェアで活用されており、その恩恵を享受しています。

ウェブブラウザの例

ウェブブラウザは、マルチスレッディングの典型的な例です。ブラウザがウェブページを表示する際、以下のタスクを並行して実行しています。

メインスレッド (T1): ユーザーインターフェース（UI）の描画、ボタンクリックの処理など、ユーザーからの入力応答を担います。
ネットワークスレッド (T2): サーバーから画像やデータをダウンロードします。
JavaScript実行スレッド (T3): ウェブページ内のスクリプトを実行します。

もし、ネットワークスレッドがなかったら、大きな画像をダウンロードしている間、メインスレッドもブロックされ、ブラウザの画面が固まってしまい、ユーザーは何も操作できなくなります。しかし、スレッドによって役割が分けられているため、データのダウンロード中もUIスレッドは生きており、「読み込み中」のアニメーションを表示したり、別のタブに切り替えたりといった操作が可能になります。これは、OSによる「抽象化レイヤ」が、アプリケーションの応答性を高めている具体的な証拠です。

アナロジー：プロジェクトチームとしてのスレッド

スレッドの概念を、会社組織におけるプロジェクトチームに例えてみましょう。

一つの大きなプロジェクト（プロセス）があるとします。このプロジェクトには、専用のオフィスビル（メモリ空間）、共有の資料棚（共有データ）、共通の予算（システムリソース）が割り当てられています。

このプロジェクトを成功させるために、同時に複数のタスクを進める必要があります。

設計担当者（スレッドA）: 設計図を作成する。
プログラマ（スレッドB）: 実際にコーディングを行う。
テスター（スレッドC）: バグがないか検証する。

これらA、B、Cの担当者こそが「スレッド」です。

彼ら（スレッド）は、同じオフィスビル（プロセス）の中で、共通の資料棚（共有データ）を使って作業を進めるため、非常に効率的です。もし、設計図をコピーして別のビルで作業を始めたら（新しいプロセスを立ち上げたら）、情報共有が煩雑になり、コストもかかります。

しかし、注意が必要です。もし設計担当者（A）とプログラマ（B）が、同時に同じ資料棚にある重要なファイル（共有変数）を書き換えようとしたら、データが壊れてしまいます。この問題を避けるために、「今、私がこの資料を使っています」と書かれた札（排他制御のロック）を資料棚につける必要があります。これが、マルチスレッディングにおける「同期」の重要性を示しています。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート、基本情報技術者、応用情報技術者といった試験では、「プロセスとスレッド管理」の分野から、スレッドの特性に関する問題が頻出します。OSがハードウェアを効率的に扱うための仕組みとして、以下の点を確実に押さえておきましょう。

プロセスとスレッドの比較の鉄則:
- プロセスは「リソースの単位」であり、独立性が高い。
- スレッドは「実行の単位」であり、リソースを共有する。
- 「メモリ空間を共有するのはどちらか？」という問いに対しては、スレッドであると即答できるようにしてください。
コンテキストスイッチのコスト: スレッド間の切り替え（コンテキストスイッチ）は、プロセス間の切り替えよりも大幅に低コストである、という点は頻出です。これは、メモリ空間の切り替え（TLBのフラッシュなど）が不要であるためです。
マルチスレッディングの利点: 応答性の向上、リソースの有効活用、プロセス間通信よりも高速なデータ連携が可能であること。特に「I/O待ち時間中に他の処理を進められる」という点が重要です。
マルチスレッディングの課題（応用情報レベル）:
- 排他制御の必要性: 共有データへのアクセス競合を防ぐために、セマフォやミューテックスなどの排他制御機構が必要となること。
- デッドロック: 複数のスレッドがお互いに相手が保持しているリソースの解放を待ち続け、永遠に処理が進まなくなる状態（膠着状態）が発生する可能性があること。デッドロックの発生条件（相互排他、保持と待機、非割込み、循環待ち）も確認しておくと完璧です。
カーネルスレッドとユーザースレッド: スレッドの実装方法（OSカーネルが管理するか、ユーザーレベルのライブラリが管理するか）によって特性が変わることも、基本情報や応用情報では問われることがあります。