【C++】std::lock_guardとstd::unique_lockの使い方 | mutexを安全に管理する方法

2025年8月29日

はじめに

マルチスレッドプログラミングでは、複数のスレッドが同じデータ（共有リソース）に同時にアクセスすると、データが破壊されたり、予期せぬ競合状態が発生したりする問題があります。これを防ぐのが、std::mutex（ミューテックス）を使った排他制御（ロック）です。

しかし、mutex.lock() と mutex.unlock() を手動で管理すると、関数が途中で例外を投げたり、returnで早期に抜けたりした場合に unlock() が呼ばれず、デッドロックに陥る危険性があります。

この問題を解決するのが、RAII (Resource Acquisition Is Initialization) というC++の原則に基づいた、std::lock_guard と std::unique_lock という2つのクラスです。これらのクラスは、オブジェクトが生成されたときにロックを取得し、スコープを抜けるときに自動的にロックを解放してくれます。

1. `std::lock_guard`: シンプルで確実なロック管理

std::lock_guard は、最もシンプルでオーバーヘッドの少ないロック管理クラスです。スコープベースで、基本的な排他ロック機能を提供します。

特徴

コンストラクタで mutex をロックする。
デストラクタ（スコープを抜けるとき）で mutex を自動的にアンロックする。
途中で手動アンロックしたり、ロックの所有権を移動させたりはできない。

サンプルコード

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <vector>

// 共有リソース（この例では標準出力）を保護するためのミューテックス
std::mutex mtx;

void print_message(const std::string& message) {
    // lock_guardオブジェクトが生成されると同時に、mtxがロックされる
    std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx);
    
    // このブロック内は、一度に一つのスレッドしか実行できない
    std::cout << message << " : 開始" << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); // 何か重い処理をシミュレート
    std::cout << message << " : 終了" << std::endl;
    
    // この関数の } を抜けるとき、guardのデストラクタが呼ばれ、mtxが自動的にアンロックされる
}

int main() {
    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        threads.emplace_back(print_message, "スレッド " + std::to_string(i));
    }

    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }
    
    return 0;
}

解説: print_message 関数では、lock_guard がスコープを抜ける際に確実に unlock を呼んでくれるため、lock/unlock の呼び忘れを心配する必要が全くありません。

2. `std::unique_lock`: より柔軟なロック管理

std::unique_lock は、lock_guard の機能に加え、より高度で柔軟なロック管理の仕組みを提供します。

特徴

lock_guard と同様の、スコープベースの自動ロック/アンロック。
手動でのロック/アンロック (.lock(), .unlock()) が可能。
ロックの試行 (.try_lock()) が可能。
ロックの所有権を移動（ムーブ）できる。

サンプルコード

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex resource_mutex;

void process_data(int id) {
    // 1. ロックせずにunique_lockオブジェクトを作成 (defer_lock)
    std::unique_lock<std::mutex> lock(resource_mutex, std::defer_lock);

    std::cout << "スレッド " << id << " はロックを試みます..." << std::endl;

    // 2. ロックを試行
    if (lock.try_lock()) {
        std::cout << "スレッド " << id << " はロックに成功しました。" << std::endl;
        // ... 共有リソースを使った処理 ...
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
        // 3. 手動でアンロック（早く解放したい場合）
        lock.unlock();
        std::cout << "スレッド " << id << " はロックを解放しました。" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "スレッド " << id << " はロックに失敗しました。" << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(process_data, 1);
    std::thread t2(process_data, 2);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

解説: unique_lock は、try_lock（もしロックできたら true、できなかったら false を返す）のような、より複雑なロック戦略を実装する際に強力なツールとなります。

まとめ

機能	`std::lock_guard`	`std::unique_lock`
基本機能	スコープベースの自動ロック/アンロック	スコープベースの自動ロック/アンロック
シンプルさ	◎ (非常にシンプル)	◯
オーバーヘッド	◎ (ほぼゼロ)	△ (少し大きい)
手動ロック/アンロック	不可	可能
ロック試行 (`try_lock`)	不可	可能
所有権の移動	不可	可能