【C#】volatileキーワードでマルチスレッド間の変数の可視性を確保する方法

2025年12月13日

マルチスレッドプログラミングにおいて、あるスレッドで更新したフラグ変数の値が、別のスレッドから即座に見えない（反映されない）という問題が発生することがあります。これは、コンパイラやCPUによる最適化（キャッシュ利用や命令の並べ替え）が原因です。

C#の volatile キーワードを使用することで、フィールドへのアクセスが最適化によって省略されることを防ぎ、常に最新の値をメモリから読み書きすることを保証できます。

ここでは、バックグラウンド処理を外部から安全に停止させるフラグ変数の実装例を通じて解説します。

volatileを使用した停止フラグの実装

以下のコードは、サーバーのヘルスチェック（死活監視）を模したバックグラウンド処理です。メインスレッドから停止命令が出された際、即座にループを抜けて終了するように volatile フィールドを使用しています。

サンプルコード

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

public class Program
{
    public static async Task Main()
    {
        // 監視クラスのインスタンス生成
        var monitor = new HeartbeatMonitor();

        Console.WriteLine("[Main] 監視タスクを開始します...");

        // 別スレッドで監視ループを実行
        Task monitorTask = Task.Run(() => monitor.StartMonitoring());

        // 監視が確実に始まるまで少し待機（シミュレーション用）
        Thread.Sleep(100);
        Console.WriteLine("[Main] 監視タスクは稼働中です。");

        // 2秒間稼働させる
        await Task.Delay(2000);

        Console.WriteLine("[Main] 停止リクエストを送信します...");
        
        // フラグを書き換えて停止を指示
        monitor.RequestStop();

        // タスクの終了を待機
        await monitorTask;

        Console.WriteLine("[Main] 監視タスクが正常に終了しました。");
    }
}

public class HeartbeatMonitor
{
    // volatile宣言: 
    // このフィールドは複数のスレッドから同時にアクセスされる可能性があることを示します。
    // これにより、コンパイラはこの変数に対する読み書きをキャッシュせず、
    // 常にメインメモリに対して直接行うようになります。
    private volatile bool _shouldStop = false;

    public void StartMonitoring()
    {
        int count = 0;

        // _shouldStopが true になるまでループし続ける
        // volatileがない場合、リリースビルドの最適化で「値が変わらない」と判断され、
        // 無限ループになってしまうリスクがある。
        while (!_shouldStop)
        {
            count++;
            Console.WriteLine($"[Monitor] ハートビート送信中... ({count}回目)");

            // 次のチェックまで待機
            // ※スレッドがブロックされている間も、他のスレッドからのフラグ変更は有効
            Thread.Sleep(500);
        }

        Console.WriteLine("[Monitor] 停止フラグを検知しました。ループを脱出します。");
    }

    /// <summary>
    /// 外部スレッドから呼び出し、停止フラグを立てる
    /// </summary>
    public void RequestStop()
    {
        _shouldStop = true;
    }
}

解説と技術的なポイント

1. 最適化による「無限ループ」のリスク

もし _shouldStop 変数に volatile が付いていない場合、コンパイラ（特にReleaseモードでのビルド時）やJITコンパイラは、StartMonitoring メソッド内のループを見て、「このメソッド内で _shouldStop を変更している箇所がない」と判断することがあります。

その結果、変数の値をレジスタやキャッシュに保持し続け、メインメモリ上の値を見に行かなくなる最適化が行われる可能性があります。こうなると、外部から RequestStop() で値を true に書き換えても、ループ側のスレッドはその変化に気づかず、永遠にループし続けてしまいます。

2. volatileの役割（可視性の保証）

フィールドに volatile キーワードを付与すると、以下のことが保証されます。

メモリアクセスの順序: コンパイラやCPUによる命令の並べ替え（リオーダー）を抑制します。
最新値の読み取り: 変数の値をCPUキャッシュではなく、常にメインメモリから読み書きすることを強制します。

これにより、あるスレッドで行った書き込みが、即座に他のスレッドから「見える」状態になります。

3. volatileの限界と注意点

volatile は「可視性」を保証しますが、「原子性（Atomicity）」は保証しません。例えば、count++ のようなインクリメント操作は「読み取り、加算、書き込み」という3つのステップで行われるため、volatile を付けたとしても、複数のスレッドから同時に書き込むと値が壊れる可能性があります。