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【C#】排他制御の基本と実装パターン！lock・Mutex・SemaphoreSlimの使い分けまで

【C#】排他制御の基本と実装パターン！lock・Mutex・SemaphoreSlimの使い分けまで C#

C#でマルチスレッド処理や非同期処理を行う際、避けて通れないのが「排他制御（Exclusive Control）」です。

複数のスレッドが同時に同じデータやファイルにアクセスすると、データの不整合やファイルの破損、最悪の場合はアプリケーションのクラッシュを引き起こします。

「スレッドセーフなコードを書きたい」
「lockステートメントとMutexはどう違うの？」
「async/awaitの中でロックを使いたい」

こうした悩みを解決するために、この記事ではC#における排他制御の基本概念から、lock ステートメントを使った手軽な実装、プロセス間排他を実現する Mutex、そして非同期メソッドでも使える SemaphoreSlim まで、現在の開発現場で役立つ知識を徹底解説します。

【本記事の信頼性】
プロフィール
執筆者：マヒロ
  • 執筆者は元エンジニア
  • SES⇒大手の社内SE⇒独立
  • 現在はこじんまりとしたプログラミングスクールを運営
  • モットーは「利他の精神」

排他制御とは？なぜ必要なのか

排他制御とは、ある処理を行っている間、他の処理が割り込まないように「ロック（鍵）」をかける仕組みのことです。

例えば、銀行口座の残高を更新する処理を考えてみましょう。

「残高を読み取る」→「金額を足す」→「残高を書き込む」という一連の流れの途中で、別のスレッドが割り込んで残高を読み取ってしまうと、計算結果がおかしくなってしまいます（競合状態）。

これを防ぐために、「私が使い終わるまで、誰も手出ししないでね」と宣言するのが排他制御です。

最も基本的な排他制御「lock」ステートメント

C#でスレッド間の排他制御を行う最も一般的で簡単な方法は、lock ステートメントを使用することです。

lock ブロックで囲まれた範囲は、一度に一つのスレッドしか実行できません。

lockの基本的な書き方

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

class BankAccount
{
    private int balance = 1000;
    // ロック専用のオブジェクトを用意する
    private readonly object lockObj = new object();

    public void Deposit(int amount)
    {
        // ここから排他制御を開始
        lock (lockObj)
        {
            Console.WriteLine($"現在の残高: {balance}, 預入額: {amount}");
            
            // 処理中に他のスレッドが来ても、ここで待たされる
            balance += amount;
            
            Console.WriteLine($"更新後の残高: {balance}");
        }
        // ここでロック解除
    }
}

class Program
{
    static void Main()
    {
        BankAccount account = new BankAccount();

        // 複数のスレッドから同時にアクセスさせる
        Parallel.Invoke(
            () => account.Deposit(100),
            () => account.Deposit(200),
            () => account.Deposit(300)
        );
    }
}

ソースコードの解説

  1. ロックオブジェクト: private readonly object lockObj = new object(); で、鍵となるオブジェクトを作成します。this や typeof(MyClass) をロックに使うのは、外部からのロックと干渉するリスクがあるため推奨されません。
  2. lock (lockObj): このブロックに入ろうとしたスレッドは、lockObj が誰にも使われていなければブロックに入り、ロックをかけます。もし他のスレッドが使用中であれば、ロックが解除されるまで待機します。

この仕組みにより、データの整合性が保たれます。

プロセス間での排他制御には「Mutex」

lock ステートメントは、あくまで「同じアプリケーション（プロセス）内のスレッド間」での排他制御にしか使えません。

「アプリを二重起動させたくない（多重起動防止）」といった、異なるプロセス間での排他制御には Mutex（ミューテックス）クラスを使用します。

アプリの多重起動を防止するサンプル

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    static void Main()
    {
        // Mutex名を指定して作成（Global\を付けると全ユーザーで共有）
        string mutexName = "Global\\MyUniqueAppMutex";
        bool createdNew;

        // Mutexの取得を試みる
        // createdNewがtrueなら、新しく作成された（＝まだ起動していない）
        using (var mutex = new Mutex(false, mutexName, out createdNew))
        {
            if (!createdNew)
            {
                // すでに起動している場合
                Console.WriteLine("すでにアプリは起動しています。終了します。");
                return; // アプリ終了
            }

            Console.WriteLine("アプリを起動しました。Enterキーで終了...");
            Console.ReadLine();
        }
    }
}

new Mutex(..., "名前", out createdNew) で、システム全体で共有される名前付きのMutexを作成しようとします。

もし同じ名前のMutexが既に存在していれば、createdNew は false になります。

これを利用して、2つ目以降の起動をブロックすることができます。

非同期処理（async/await）での排他制御「SemaphoreSlim」

現代のC#開発では async/await を多用しますが、実は lock ステートメントの中では await を使うことができません（コンパイルエラーになります）。

非同期メソッド内で排他制御を行いたい場合は、SemaphoreSlim（セマフォスリム）クラスを使用します。

asyncメソッド内でのロックの実装

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

class AsyncResource
{
    // 初期値1、最大値1のセマフォ（＝ロックと同じ動作）
    private static SemaphoreSlim semaphore = new SemaphoreSlim(1, 1);

    public static async Task AccessAsync(string name)
    {
        Console.WriteLine($"{name} がロック待機中...");

        // ロックを取得（非同期に待機）
        await semaphore.WaitAsync();

        try
        {
            Console.WriteLine($"{name} がロックを取得！処理開始");
            await Task.Delay(1000); // 重い処理のシミュレーション
            Console.WriteLine($"{name} が処理終了");
        }
        finally
        {
            // 必ずfinallyで解放する
            semaphore.Release();
            Console.WriteLine($"{name} がロックを解放");
        }
    }
}

class Program
{
    static async Task Main()
    {
        // 3つの処理を同時に開始
        var t1 = AsyncResource.AccessAsync("Task A");
        var t2 = AsyncResource.AccessAsync("Task B");
        var t3 = AsyncResource.AccessAsync("Task C");

        await Task.WhenAll(t1, t2, t3);
    }
}

ソースコードの解説

  • SemaphoreSlim(1, 1): 同時にアクセスできる数を「1」に制限することで、排他制御として機能させます。
  • await semaphore.WaitAsync(): ロックが空くのを非同期に待ちます。スレッドをブロックしないため、UIスレッドなどをフリーズさせずに待機できます。
  • try-finally: lock 構文と違って自動で解放されないため、例外が発生しても確実に Release() が呼ばれるように try-finally ブロックで囲むのが鉄則です。

読み書きロック「ReaderWriterLockSlim」

「読み取りは同時に何人でもOKだけど、書き込み中だけは誰もアクセスさせたくない」というケースでは、ReaderWriterLockSlim を使うとパフォーマンスが向上します。

頻繁にデータを参照するキャッシュシステムなどで有効です。

using System;
using System.Threading;

class CacheData
{
    private ReaderWriterLockSlim rwLock = new ReaderWriterLockSlim();
    private int data = 0;

    // 読み取り（複数スレッド同時実行OK）
    public int Read()
    {
        rwLock.EnterReadLock();
        try
        {
            return data;
        }
        finally
        {
            rwLock.ExitReadLock();
        }
    }

    // 書き込み（他をブロックする）
    public void Write(int value)
    {
        rwLock.EnterWriteLock();
        try
        {
            data = value;
        }
        finally
        {
            rwLock.ExitWriteLock();
        }
    }
}

C#のスキルを活かして年収を上げる方法

以上、C#での排他制御の基本と実装パターンについて解説してきました。

なお、C#のスキルがある場合には、「転職して年収をアップさせる」「副業で稼ぐ」といった方法を検討するのがおすすめです。

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