C#のlockの使い方徹底解説：デッドロック回避から順番制御まで

2024年9月29日2024年12月14日

C#でマルチスレッドプログラミングを行う際、データの整合性やスレッド間の排他制御は非常に重要です。
そのために便利な機能がlockです。

本記事では、C#のlockの基本的な使い方から、デッドロック回避や順番制御のポイントまでを解説します。
C#プログラミングの効率化と信頼性向上に役立つ内容ですので、ぜひ参考にしてください。

記事のポイント

lock、Monitor.TryEnter、Monitor.IsEnteredの解説
lockの基本的な使い方と仕組み
デッドロックの回避方法
排他制御における適切なオブジェクトの選び方
lockが解放されない問題の解決法

【C#】lockの使い方：排他制御の重要性

まず、始めに排他制御で使われるlock、Monitor.TryEnter、Monitor.IsEnteredについての解説から
行っていますので、知っている人はスキップしてもらって大丈夫です。

lockとは？

lockは、C#でよく使われるシンプルな排他制御メカニズムです。
lockを使うことで、特定のオブジェクトに対して1つのスレッドだけがアクセスできるようにし、
他のスレッドがそのオブジェクトを使っている間は待機させることができます。
これにより、データの整合性が保証されます。

private readonly object lockObject = new object();


lock (lockObject)
{
    // このコードブロックは、lockObjectに対してロックがかかっている間のみ実行される
    // 他のスレッドはこのオブジェクトにアクセスできない
}

動作
- lockを使うと、指定されたオブジェクト（例: lockObject）に対して排他ロックがかかり、
  1つのスレッドだけがそのオブジェクトを使っている間、他のスレッドは待機します。
- 他のスレッドがロックを解放するまで待機し続けるため、ロックの状態を事前に確認することはできません。
注意点
- lockは他のスレッドがオブジェクトのロックを解放するまでブロックされるため、処理の停止時間が長くなる可能性があります。特にデッドロックに注意が必要です。

Monitor.TryEnterメソッドとは？

Monitor.TryEnterはlockに似た排他制御を行いますが、
非ブロッキング方式でロックを取得できるかどうかを確認します。
ロックが取得できない場合は指定した時間内でロックを取得することを試みるか、
即座に別の処理を行うことが可能です。

private readonly object lockObject = new object();


bool lockTaken = false;
try
{
    // ロックをタイムアウト付きで試みる（例: 1秒）
    Monitor.TryEnter(lockObject, TimeSpan.FromSeconds(1), ref lockTaken);
    if (lockTaken)
    {
        // ロックが成功した場合の処理
    }
    else
    {
        // ロックが失敗した場合の処理（他のスレッドがロック中）
    }
}
finally
{
    if (lockTaken)
    {
        Monitor.Exit(lockObject); // ロックを解放
    }
}

動作：
- Monitor.TryEnterは指定したオブジェクトに対するロックを試みますが、
  タイムアウトや即時に失敗するオプションがあります。
- 他のスレッドがオブジェクトのロックを持っている場合、
  指定した時間内にロックが取得できなければfalseを返し、別の処理に進むことができます。
利点：
- lockとは異なり、Monitor.TryEnterを使用するとデッドロックや無限待機を回避できます。
  指定した時間内にロックを取得できない場合に次の処理を行うロジックを構築できるため、
  より柔軟な排他制御が可能です。

Monitor.IsEnteredメソッドとは？

Monitor.IsEnteredは現在のスレッドが
特定のオブジェクトのロックを保持しているかどうかを確認するために使用されます。
このメソッドは主にデバッグや状態確認のために利用され、
ロックを適切に管理できているかを確認するのに役立ちます。

private readonly object lockObject = new object();


if (Monitor.IsEntered(lockObject))
{
    Console.WriteLine("現在のスレッドがロックを保持しています。");
}
else
{
    Console.WriteLine("ロックを保持していません。");
}

動作：
- Monitor.IsEnteredは現在のスレッドが指定されたオブジェクトのロックを保持しているかどうかをtrueまたはfalseで返します。
- 他のスレッドのロック状態を確認することはできません。
  あくまで「自分のスレッドがロックを保持しているか」だけをチェックします。
利点：
- デバッグやロジックチェックで、コードが意図した通りにロックを保持しているかどうかを確認する際に便利です。

lock、Monitor.TryEnter、Monitor.IsEnteredのまとめ

機能	説明	ロック取得確認	ブロックの有無	使い所
`lock`	他のスレッドがロックを持っている場合、ロックが解放されるまで待機する。	確認できない	あり（待機する）	簡単に排他制御を実装する場合。簡単なシナリオ向け。
`Monitor.TryEnter`	ロックの取得を試み、取得できなければ別の処理を実行。タイムアウトを設定できる。	取得できる（`true`/`false`）	なし（指定時間で終了）	デッドロックや無限待機を避けたい場合。タイムアウトや非ブロッキング処理が必要な場面。
`Monitor.IsEntered`	現在のスレッドがロックを保持しているかどうかを確認する。	自分のスレッドのみ確認可能	なし	デバッグやロックの状態を確認したい場合。

これらの機能を使い分けることで、スレッドの安全な管理やデッドロックの防止、
プログラムのパフォーマンス改善に役立ちます。
以下でlock、Monitor.TryEnter、Monitor.IsEnteredについて解説します。

lockのデッドロックの回避方法

lockを使うときの注意点として、デッドロックの問題があります。
デッドロックは、複数のスレッドが互いにリソースのロックを待ち続ける状態を指します。
これを回避するためには、常に同じ順序でリソースにアクセスすることが重要です。

シングルトンオブジェクトを使う
できる限り同じオブジェクトをlockすることで、競合を防ぎます。
タイムアウトを設定する
Monitor.TryEnterを使い、一定時間内にロックが取れなければ他の処理を進めるといった工夫が有効です。

bool lockTaken = false;
try
{
    Monitor.TryEnter(lockObject, TimeSpan.FromSeconds(1), ref lockTaken);
    if (lockTaken)
    {
        // ロックが取得できた場合の処理
    }
    else
    {
        // ロックが取れなかった場合の代替処理
    }
}
finally
{
    if (lockTaken)
    {
        Monitor.Exit(myLockObject);
    }
}

lockの順番とオブジェクトの選び方

lockを使用する際、順番とロック対象のオブジェクトの選び方も重要です。
lock (this)を使うことは避けるべきで、代わりに専用のオブジェクトをロックに使用することが推奨されます。
これは、クラス外から不意にロックされてしまうリスクを軽減するためです。

private readonly object lockObject = new object();

public void MyMethod()
{
    lock (lockObject)
    {
        // スレッド間で競合しない処理
    }
}

lockが解放されない問題と解決方法

lock構文の問題でよくあるのが、ロックが解放されない状態です。
これは通常、例外が発生してlockブロックを正しく抜けられなかった場合に起こります。
lockの使用時には、常にブロックが正常に終了するようにtry-finallyを使って安全に解放することが重要です。

lock (myLockObject)
{
    try
    {
        // 処理
    }
    finally
    {
        // ロックの解放は自動で行われますが、エラー対策は必要
    }
}

【C#】lockの使い方：オブジェクト管理と排他制御

lockされているかの確認方法

C#では、lockがすでに取得されているかどうかを直接確認する方法はありませんが、
Monitor.TryEnterを使用して、他のスレッドがロックを取得しているかを確認することができます。
この方法を使うことで、無限待機を避けることができ、コードの効率化が可能です。

lockで使用するobjectの使い方

ロックに使用するオブジェクトとしてobject型の専用変数を用意することがベストプラクティスです。lock(this)のように自分自身をロック対象にすると、
外部からの予期せぬロックによるデッドロックの可能性が高まるため、避けるべきです。

private readonly object lockObject = new object();

lockが解放されない場合の原因と対策

ロックが解放されない主な原因はロックを取るブロック内で例外が発生し、その後の処理が実行されない場合です。
これに対処するために、lockブロック内では重要な処理だけを行い、例外処理を慎重に行うことが必要です。
また、デバッグ時にはMonitor.IsEnteredメソッドを利用して、ロックが適切に管理されているか確認するのも有効です。