Goにおける並行処理と並列処理のダンス

Goは、その本質的な並行処理サポートで称賛されていますが、並行処理と並列処理の概念を区別するための魅力的なケーススタディを提供しています。これらの用語は一般的な言葉遣いでしばしば同義語として使われますが、Goの設計哲学はそれらを根本的に分離し、スケーラブルで応答性の高いアプリケーションを構築するための強力かつ実用的なアプローチを提供しています。この記事では、Goの「並行処理哲学」を掘り下げ、並行処理の管理におけるそのユニークな見解と、真の並列処理を直接保証するのではなく、いかにそれに依存するかに焦点を当てます。

並行処理 vs 並列処理: 基本的な区別

Goのアプローチを探る前に、定義を明確にすることが重要です。

並行処理 (Concurrency): 構造の観点から「多くのことを一度に」扱うことです。これは、複数のタスクを重複する形で処理し、あたかも同時に実行されているかのような外観を与えることです。単一コアのCPUは、タスク間を急速に切り替える（タイムスライシング）ことで並行処理を実現できます。複数のボールを空中で保持しているジャグラーを想像してみてください。すべてのボールは「飛行中」ですが、一度にアクティブに触れられているのは1つだけです。
並列処理 (Parallelism): 実行の観点から「多くのことが同時に起こる」ことです。真に同時にタスクを実行するには、複数の処理ユニット（コア、CPU）が必要です。それぞれが独立して同時にボールのセットを扱っている2人のジャグラーを想像してください。

Goは設計哲学として並行処理を支持しています。そのコアプリミティブであるゴルーチンとチャネルは、エレガントで効率的な並行プログラミングを可能にすることを中心に構築されています。並列処理は、適切に設計された並行プログラムがマルチコアプロセッサで実行された結果である可能性がありますが、Goの並行処理モデル単独の主な目標または直接的な保証ではありません。

Goの並行処理プリミティブ: ゴルーチンとチャネル

Goは、その並行処理モデルの基盤を形成する2つの強力な組み込みプリミティブを導入しています。

ゴルーチン: 軽量な並行実行ユニット

ゴルーチンは、Goのランタイムによって管理される軽量な実行スレッドです。従来のオペレーティングシステムのスレッドとは異なり、ゴルーチンは作成と管理が信じられないほど安価です。それらは、より少ない数のOSスレッドに多重化され、Goスケジューラはそれらの実行を効率的に処理します。

簡単な例を考えてみましょう。

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func sayHello(name string) {
	time.Sleep(100 * time.Millisecond) // いくらかの作業をシミュレート
	fmt.Printf("Hello, %s!\n", name)
}

func main() {
	fmt.Println("Starting main Goroutine")

	// sayHelloをゴルーチンとして起動
	go sayHello("Alice")
	go sayHello("Bob")
	go sayHello("Charlie")

	// このスリープがないと、他のゴルーチンが完了する前にmainゴルーチンが終了する可能性があります
	time.Sleep(200 * time.Millisecond)
	fmt.Println("Main Goroutine finished")
}

このコードを実行すると、「Hello, Alice!」、「Hello, Bob!」、「Hello, Charlie!」が表示されますが、その順序は異なる場合があります。これは、mainゴルーチンが複数のsayHelloゴルーチンを起動し、それらが並行して実行されるためです。main内のtime.Sleepは、mainゴルーチンがデフォルトで他のゴルーチンが完了するのを待たないため必要です。自身の実行パスが完了すると終了します。

ここでの重要なポイントはgoキーワードです。これは通常の関数呼び出しを新しいゴルーチンに変換し、呼び出し元のゴルーチンと並行して実行できるようにします。

チャネル: 通信順次プロセス（CSP）の実践

ゴルーチンは並行実行を可能にしますが、これらの並行ユニット間の通信と同期の課題も生じさせます。Goは、Tony Hoareの通信順次プロセス（CSP）モデルに触発されたチャネルでこれに対処します。チャネルは、ゴルーチンが値を送受信するための型付きのパイプを提供します。

チャネルの背後にある哲学は「メモリを共有して通信するのではなく、通信によってメモリを共有せよ」です。このパラダイムは、明示的な通信を調整の主要な手段にすることによって、共有メモリ並行処理（例: データ競合、デッドロック）に関連する複雑さを大幅に軽減します。

完了のシグナルを送信するためにチャネルを使用して、前の例を変更してみましょう。

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func worker(id int, done chan<- bool) {
	fmt.Printf("Worker %d starting...\n", id)
	time.Sleep(time.Duration(id) * 100 * time.Millisecond) // 作業をシミュレート
	fmt.Printf("Worker %d finished.\n", id)
	done <- true // 完了時にシグナルを送信
}

func main() {
	fmt.Println("Main: Starting workers...")

	numWorkers := 3
	doneChannel := make(chan bool, numWorkers) // ワーカー数に合わせたたバッファ付きチャネル

	for i := 1; i <= numWorkers; i++ {
		go worker(i, doneChannel)
	}

	// チャンネルから受信して、すべてのワーカーの完了を待機
	for i := 0; i < numWorkers; i++ {
		<-doneChannel // シグナルを受信するまでブロック
	}

	fmt.Println("Main: All workers finished!")
}

この改訂された例では、doneChannelは調整ポイントとして機能します。各workerゴルーチンは、完了時にチャネルにtrue値を送信します。次に、mainゴルーチンは、numWorkers個のシグナルを受信するのを待ってブロックします。これにより、すべてのワーカーが完了を報告した後のみmainゴルーチンが続行することが保証されます。

チャネルは、バッファなし（同期）またはバッファあり（容量制限付き非同期）にすることができます。バッファなしチャネルは、送信者と受信者に同期を強制し、ランデブーポイントを提供します。バッファありチャネルは、送信者がバッファ容量までブロックせずに値を送信できるようにし、送信者と受信者を分離する可能性があります。

並列処理の活用

Goの並行処理モデルは並列処理を無視しているわけではありません。むしろ、それに対応しています。Goランタイムスケジューラは、実行可能なゴルーチンを実行可能なCPUコアに分散するように設計されています。デフォルトでは、GoはGOMAXPROCS（Goスケジューラが利用できるOSスレッド数）を論理CPUの数に設定します。これは、4コアプロセッサがある場合、Goランタイムは通常、ゴルーチンを並列に実行するために4つのOSスレッドを使用することを意味します。

workerの例を考えてみましょう。マルチコアマシンで実行すると、Goスケジューラは、それらがすべて並行して実行可能であると仮定して、worker 1、worker 2、worker 3を別々のコアで並列に実行する可能性が高いです。各ワーカーのtime.Sleepはそれらを一時停止させ、他のゴルーチンが実行できるようにします。

ただし、Goが特定のセットのゴルーチンに対して並列実行を保証するのではなく、リソースが許可する場合に並列に実行できることを示しているだけであることを理解することが重要です。スケジューラの目標は、効率性と公平性であり、すべての並行タスクの厳密な並列化ではありません。

Go中心の並行処理哲学

Goの設計は以下を重視しています。

複雑さよりもシンプルさ: ゴルーチンは理解しやすく、使用も簡単です。明示的なスレッド管理、ミューテックスロック（厳密に必要でない限り）、または複雑なコールバック地獄はありません。
組み込みプリミティブ: 並行処理は、後付けではなく、ファーストクラスの市民です。ゴルーチンとチャネルはコア言語機能です。
共有メモリよりも通信: CSPモデルは、直接的な共有メモリアクセスを最小限に抑えることにより、並行処理のためのより安全で管理しやすいアプローチを促進します。
スケーラブルで効率的: ゴルーチンの軽量性とインテリジェントなGoスケジューラにより、アプリケーションは比較的低いオーバーヘッドで膨大な数の並行処理を効率的に処理できます。
ランタイムに任せる: 開発者は、並行タスクを特定し、それらの通信パターンを定義することに焦点を当て、Goランタイムがスケジューリングとリソース管理の複雑さに対処できるようにします。

この哲学により、Goはネットワークサービス、分散システム、および多数の並行接続または操作を効率的に処理することが最優先事項であるI/Oバウンドアプリケーションに特に適しています。

結論

Goは単に並行プログラミングのためのプリミティブを提供するだけでなく、並行処理を設計パターンとして優先する、深く考え抜かれた哲学を体現しており、並列処理を暗黙的に可能にしています。軽量なゴルーチンによる並行実行と、安全な通信のための堅牢なチャネルを提供することにより、Goは開発者が高度にスケーラブルで保守可能で堅牢な並行アプリケーションを記述できるようにします。並行処理（一度に多くのことを行うように構造化すること）と並列処理（多くのことを同時に実行すること）の区別は、Goの成功にとって基本的です。これは、強力なランタイムが利用可能な場合に並列実行を処理できるように、並行処理について考えることを奨励する言語であり、最終的には現代のコンピューティングの複雑なダンスを驚くほどエレガントに感じさせます。