四日では覚えられないC++言語【Day 10: メモリ・並行処理・通信の仕組み】

はじめに

【C++言語】 は、C言語を拡張して1980年代に登場したプログラミング言語です。

特徴としては、C言語の「速さ・低レベル制御」を残しつつ、「オブジェクト指向」「例外処理」「標準ライブラリの拡充」などが加わりました。

【注意】このメモは、C++言語を全くしらない人間が、ChatGPTに聞いて適当に書いている、C++言語の基本的な記載方法のまとめです。

（内容は確認しながら書いているつもりですが、間違ってたらごめんなさい）

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🟦 1 メモリの裏側（ヒープとグローバル変数）

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1.1 メモリの構造

プログラムのメモリは大きく分けて：

・スタック（関数呼び出し）
・ヒープ（動的確保）
・グローバル領域

👉 それぞれ役割が違う

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1.2 ヒープ領域とは

int* p = new int(10);
delete p;

🔹 特徴

・実行中に確保される
・手動で解放が必要
・ミスるとバグになる

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1.3 グローバル変数とは

int g_value = 10;

🔹 特徴

・プログラム開始時に生成
・終了時に自動破棄
・どこからでもアクセス可能

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1.4 ❗危険な組み合わせ（重要）
ヒープ × グローバル変数

👉 よくある事故

二重解放（double free）
解放後アクセス
メモリ破壊

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1.5 なぜ問題になるのか

class A {
    int* p;
public:
    A() { p = new int(10); }
    ~A() { delete p; }
};

A g_obj;

👉 グローバルは終了時に自動で破棄される

👉 ライブラリや複数定義が絡むと

💥 同じメモリを2回解放 → クラッシュ

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1.6 💡 実務ポイント

・グローバル変数は極力使わない
・使うなら namespace / static でスコープ制限
・ヒープは std::vector や std::string に任せる

👉 「手動deleteを減らす」

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🟦 2 データの流れ（FIFO）

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2.1 FIFOとは

👉 First In First Out

A → B → C（入れる）
↓
A → B → C（取り出す）

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2.2 何に使うか

・メッセージキュー
・バッファ
・プロセス間通信

👉 順番保証が目的

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2.3 OSでの実体

mkfifo /tmp/myfifo

👉 名前付きパイプ（FIFOファイル）

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2.4 イメージ

FIFO = データの通り道

👉 「プロセス間のパイプ」

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2.5 💡 挙動のポイント

・書き込み側だけだとブロックする
・読み手がいないと詰まる
・サイズ制限あり（バッファサイズ）

👉 ストリーム（流れるデータ）として扱う

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🟦 3 処理の制御（セマフォ）

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3.1 セマフォとは

👉 同時に使える数を制御する仕組み

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3.2 イメージ
リソース数 = 2

A → OK
B → OK
C → 待ち

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3.3 なぜ必要か

❌ FIFOだけだと

同時書き込み → データ破壊

👉 セマフォで制御する

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3.4 実際の動き

sem_wait(sem); // ロック
// 処理
sem_post(sem); // 解放

👉 クリティカルセクションを守る

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3.4 💡 実務ポイント
・mutex とほぼ同じ用途（バイナリセマフォ）
・複数許可できるのが強み（カウントセマフォ）

👉 「同時に何人OK？」を制御する

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🟦 4 通信の考え方（ロングポーリング）

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4.1 通常のポーリング

👉 定期的に「ある？」確認

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4.2 ロングポーリング

👉 データが来るまで待つ

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4.3 流れ
クライアント → リクエスト
サーバー → 待機
データ到着 → レスポンス

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4.4 目的

・擬似リアルタイム通信
・無駄な通信削減

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4.5 💡 実務での立ち位置

・WebSocketの前世代的技術
・サーバープッシュの簡易版

👉 「リアルタイムっぽく見せる技術」

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🟦 5 実践：FIFO＋セマフォでメッセージ通信

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🟩 事前準備（1回だけ）
mkfifo /tmp/myfifo

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🟨 Writer（送信側）

#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>

int main() {
    const char* fifoPath = "/tmp/myfifo";
    const char* semName = "/mysem";

    sem_t* sem = sem_open(semName, O_CREAT, 0666, 1);

    int fd = open(fifoPath, O_WRONLY);

    std::string msg = "Hello from Writer\n";

    sem_wait(sem);

    write(fd, msg.c_str(), msg.size());

    std::cout << "送信: " << msg;

    sem_post(sem);

    close(fd);
    sem_close(sem);

    return 0;
}

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🟪 Reader（受信側）

#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    const char* fifoPath = "/tmp/myfifo";

    int fd = open(fifoPath, O_RDONLY);

    char buffer[128];

    while (true) {
        int n = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (n > 0) {
            buffer[n] = '\0';
            std::cout << "受信: " << buffer;
        }
    }

    close(fd);
    return 0;
}

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🟧 実行手順

① Reader起動（先に！）

g++ reader.cpp -o reader
./reader

② Writer起動（別ターミナル）

g++ writer.cpp -o writer -pthread
./writer

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🧠 ポイント解説

🟩 セマフォ

sem_wait(sem);
sem_post(sem);

👉 同時書き込み防止
👉 順番制御ではなく「人数制御」

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🟦 FIFO

open("/tmp/myfifo", O_WRONLY);

👉 プロセス間通信
👉 カーネル経由のストリーム

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🟨 データの流れ（全体像）
Writer → FIFO → Reader
↑
セマフォで制御

👉 流れ（FIFO）＋制御（セマフォ）

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⚠️ 注意（超重要）

❗ 1. Readerが先に起動

👉 Writerがブロックする

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❗ 2. メッセージ設計

今回は

\n 区切り

👉 実務では

・ヘッダ（長さ）
・固定長
・バイナリ構造

が必要

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❗ 3. セマフォ後片付け

sem_unlink("/mysem");

👉 ゴミが残るのを防ぐ

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❗ 4. 完全ではない（重要）

この構成は「簡易版」

足りないもの：

・メッセージ境界保証
・耐障害性
・再送制御

👉 本格的には

・メッセージキュー（mq）
・Redis / Kafka

などを使う

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🟪 これでできること

・複数プロセス安全通信
・簡易メッセージキュー
・非同期処理の基礎

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💬 最後に

👉 今日の本質はこれ

FIFO = データの流れ
セマフォ = 制御
ヒープ = メモリ管理
ロングポーリング = 通信モデル

👉 全部組み合わさると

「実システムになる」

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💠ゼロから始めるプログラム学習（C++）💠

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💠C++まとめ💠

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💠Cまとめ💠

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