スレッド完全に理解した

はじめに

アプリ開発を行っていると、「スレッド」という単語が頻繁に登場します。
でも、「スレッドって何?」と聞かれると、意外とうまく説明できなかったりします。

この記事では、スレッドという仕組みを基礎から順番に説明していきます。
ハードウェアの知識がなくても大丈夫なように書いていくので、安心してください（？）。

一部Swiftが出てきますが、メインテーマは「スレッド」です。

🍴 身近な例から考えてみる

スレッドを理解するために、まずは料理をする場面を想像してみましょう。

あなたがキッチンで一匹で料理をしているとき、できることは一つずつです。
野菜を切りながら同時に鍋をかき混ぜることはできません。
これがシングルスレッドの状態です。

でも、もう一匹手伝ってくれる猫がいたらどうでしょう？

あなたが野菜を切っている間に、その猫が鍋をかき混ぜられます。
二つの作業が同時進行できるわけです。これがマルチスレッドのイメージです。

ここで大事なのは、「同時に作業できる数は、猫の数で決まる」ということです。

これがスレッドを理解する第一歩です😺

Gemini：「このイラストかわいいやろ」

スレッドには3種類ある

実は、「スレッド」という言葉は文脈によって3つの異なる意味で使われます。これが混乱の元なので、最初に整理しておきましょう。

1. ハードウェアスレッド

CPUが物理的に持っている、同時実行できる数のこと。
「4コア8スレッドCPU」と言ったときの「8スレッド」がこれです。

2. OSスレッド（カーネルスレッド）

オペレーティングシステムが管理する実行単位。
私たちがプログラムで「スレッドを作る」と言ったときは、通常これを指します。

3. ユーザースレッド（グリーンスレッド）

プログラムのランタイムやライブラリが管理する実行単位。
OSからは見えません。

この記事では主にOSスレッドについて説明していきますが、まずはハードウェアの仕組みから理解していきましょう。

CPUの物理的な構造を理解する

コンピュータのハードウェアについて少しだけ説明します。

CPUコアって何？

CPUコアは、実際に計算処理を行うハードウェアの部品です。先ほどの料理の例で言うと、「実際に手を動かせる人」がコアです。

例えば「4コアCPU」と言われたら、「同時に4つの作業ができる人が4人いる」と考えてください。

ハードウェアスレッドって何?

一部のCPUにはハードウェアスレッドという機能があります（Intelの「Hyper-Threading」が有名です）。

これは、1つのコアが2つの作業を素早く切り替えながらこなす技術です。完全な同時実行ではありませんが、効率よく処理できます。

「4コア8スレッドCPU」なら、「4人の作業員がいて、それぞれが2つの作業を並行してこなせる」というイメージです。理論上、最大8つの処理が同時に進められます。

ここで覚えておいてほしいのは、「物理的に同時実行できる数には限界がある」ということです。

OSスレッドという仕組み

さて、ここからが本題です！

私たちがプログラムで「スレッドを作る」と言うとき、それはOSスレッドのことを指します。
これは、CPUのハードウェアスレッドとは別物なんです。

OSスレッドって何をしているの？

OSスレッドは、オペレーティングシステムが管理する実行の単位です。

もう少し正確に言うと、OSスレッドは「CPUに実行してもらう命令の流れ」を表す単位です。プログラムのコードは、必ずどこかのOSスレッド上で実行されています。

各OSスレッドは、以下のような情報を持っています。

• レジスタの状態 - 現在どんな計算をしているかの情報
• スタック領域 - そのスレッド専用の作業メモリ（数百KB〜数MB）
• スレッドID - OSスレッドを識別するための番号
• 実行状態 - 今実行中なのか、待機中なのか、など
• プログラムカウンタ - 次にどの命令を実行するかを示す情報

プログラムのコードは複数のOSスレッドで共有されますが、それぞれのOSスレッドは独自の「作業スペース」を持っているわけです。

重要なポイントは以下の3つです。

• OSスレッドは、コードを順番に実行していく「実行の流れ」を表す
• 一つのアプリ（プロセス）の中に、複数のOSスレッドを作ることができる
• 最終的にコードを実行するのは、常にCPUのコア

つまり、あなたが書いたコードは、必ずどこかのOSスレッドによって実行されているということです。

OSスレッドはいくつでも作れる？

ここが重要なポイントです！

OSスレッドは、ハードウェアスレッドの数を超えて作成できます。例えば、8ハードウェアスレッドのCPUでも、100個のOSスレッドを作ることは可能です。

「あれ？同時に実行できるのは8つまでじゃないの？」と思いますよね。その通りです。

ここで登場するのがスケジューラという仕組みです。

スケジューラの役割

スケジューラは、OSの中にいる「作業の割り振り係」のようなものです。

たくさんのOSスレッドがある場合、スケジューラは次のように動きます。

1. 実行したいOSスレッドがたくさんある
2. でも、同時に実行できるのは限られた数（ハードウェアスレッド数）だけ
3. スケジューラが「次はこのOSスレッドを実行しよう」と決める
4. 一定時間実行したら、別のOSスレッドに切り替える
5. これを繰り返す

つまり、多数のOSスレッドを高速に切り替えながら、あたかも同時に動いているかのように見せているわけです。

この切り替え作業をコンテキストスイッチと呼びます。

コンテキストスイッチのコスト

コンテキストスイッチは便利な仕組みですが、タダではありません。

OSスレッドを切り替えるとき、OSは以下のような作業をする必要があります。

1. 現在のOSスレッドの状態を保存 - レジスタの内容をメモリに書き出す
2. 次のOSスレッドの状態を読み込む - メモリから別のOSスレッドの情報を読み出す
3. CPUのキャッシュがリセットされる - 高速メモリの中身が無効になる
4. 実行を再開 - プログラムカウンタを復元して処理を続ける

この一連の処理には時間がかかります。特に、CPUキャッシュがリセットされるのが痛いです

キャッシュとは、CPUがよく使うデータを一時的に保存しておく高速メモリのこと。これが無効になると、メモリから再度データを読み込む必要があり、処理が遅くなります。

なぜOSスレッドを増やしすぎると遅くなるのか

ここまで読めば、「OSスレッドを増やしすぎると遅くなる」という話の理由がわかるはずです。

例えば、8ハードウェアスレッドのCPUで1000個のOSスレッドを動かそうとすると、どうなるでしょう？

• ほとんどのOSスレッドは待機状態になる
• OSは頻繁にコンテキストスイッチを行う必要がある
• 切り替えのコストばかりかかって、実際の処理が進まない

つまり、作業員が多すぎて引き継ぎばかりしている状態になるわけです。これでは効率が悪いですよね。

OSスレッドのコストまとめ

OSスレッドは「軽量」と言われることもありますが、実際には以下のようなコストがあります。

• 生成コスト - OSがOSスレッドを作る処理には時間がかかる
• メモリコスト - 各OSスレッドがスタック領域（数百KB〜数MB）を消費する
• 切り替えコスト - コンテキストスイッチには確実に時間がかかる
• キャッシュミス - 切り替えのたびにCPUキャッシュが無効になる
• スケジューリングコスト - OSがOSスレッドを管理する処理自体にも負荷がある

だから、無制限にOSスレッドを作ることはできないし、作るべきでもないのです。

スレッドプールという解決策💡

OSスレッドの生成コストを避けるために、多くのシステムはスレッドプールという仕組みを使っています。

スレッドプールの仕組み

スレッドプールは、こんな風に動きます。

1. 事前準備 - アプリ起動時に、あらかじめ一定数のOSスレッドを作っておく
2. タスクの割り当て - 実行したい処理が来たら、空いているOSスレッドに渡す
3. 再利用 - 処理が終わってもOSスレッドは破棄せず、次の処理を待つ
4. 動的調整 - 必要に応じてOSスレッド数を増やしたり減らしたりする

これによって、以下のメリットが得られます

• OSスレッドを毎回作る手間が省ける
• 同時実行するOSスレッド数をコントロールできる
• CPU使用率を適切に保てる
• システム全体の効率が上がる

🍽️ レストランのホールスタッフを想像してみましょう！

お客さんが来るたびに新しいスタッフを雇って、帰ったら解雇する、なんてことはしませんよね。あらかじめ必要な人数を確保しておいて、お客さんに対応してもらう。それと同じ考え方です。

ユーザースレッドという仕組み

OSスレッドとは別に、ユーザースレッド（グリーンスレッドとも呼ばれます）という仕組みもあります。これは少し応用的な話ですが、知っておくと理解が深まります。

ユーザースレッドとは

ユーザースレッドは、プログラムのランタイム（実行環境）やライブラリが管理する実行単位です。

ユーザースレッドの特徴は以下の通りです。

• ライブラリやランタイムが管理する
• OSから見えるOSスレッド数は増えない
• 切り替えをライブラリが制御できる
• コンテキストスイッチのコストが低い

例えば、100個のユーザースレッドがあっても、実際のOSスレッドは8個だけ、ということができます。

OSスレッドとユーザースレッドの違い

整理すると、こんな感じです

OSスレッド（カーネルスレッド）

• OSが直接管理する
• コンテキストスイッチもOSが行う
• Swiftのpthreadがこのタイプ
• 生成・切り替えのコストが高い

ユーザースレッド

• ライブラリやランタイムが管理する
• OSから見えない
• 切り替えコストが低い

Swift Concurrencyの仕組みも、このユーザースレッド的な動作を取り入れています。でも、この記事の主題は「スレッドそのもの」なので、詳細は省略します。

Swiftでスレッドはどう見えるか

Swiftは、OSスレッドを直接意識しなくても済むように設計されています。でも、実際にはあなたのコードは必ずどこかのOSスレッド上で動いています。

SwiftでOSスレッドが「見える」ポイントは、こんなところです

• Thread.currentを使うと、現在どのOSスレッドで実行されているか確認できる
• MainActorのコードは、必ずメインスレッド（特定のOSスレッド）上で実行される
• バックグラウンド処理は、OSのスレッドプールで実行される
• 非同期処理（async/await）では、再開時に別のOSスレッドになることがある

つまり、Swiftの高レベルな仕組み（async/awaitなど）は、このOSスレッドという土台の上に構築されているわけです

まとめ

長くなりましたが、スレッドについて整理してみましょう。

スレッドの整理

3種類のスレッドを理解する

• ハードウェアスレッド - CPUが物理的に持つ同時実行数
• OSスレッド - OSが管理する実行単位（私たちが普段扱うスレッド）
• ユーザースレッド - ライブラリが管理する軽量な実行単位

ハードウェアとソフトウェアの関係

• CPUコアは物理的な実行ユニット
• ハードウェアスレッドは1コアで複数処理を扱う技術
• OSスレッドはハードウェアスレッド数を超えて作成できる
• スケジューラがOSスレッドを切り替えながら実行する

コストと効率

• コンテキストスイッチには確実にコストがかかる
• OSスレッドを増やしすぎると逆に遅くなる
• スレッドプールで効率化できる
• 適切なOSスレッド数を保つことが重要

OSスレッドの仕組みを理解すると、「なぜメインスレッドをブロックしてはいけないのか」「なぜasync/awaitが便利なのか」といったことが、より深く理解できるようになります。

アプリのパフォーマンスや設計を考える上で、この知識はきっと役に立つはずです。

ここまで読んでいただき、ありがとうございました😺