CRuby(MRI)はスレッドセーフなのか

少々炎上しそうな表題ですが、色々と調べたので覚書。

まず、前提条件として、CRubyはGIL(Global Interpreter Lock)という仕組みがあります。
細かい説明は
グローバルインタプリタロック - Wikipedia
を参照いただくとして、Ruby インタプリタは必ずGILを取得する必要があります。

となると、Thread意味無いじゃんと思ってしまうのですが、RubyにおけるGIL=GVL(Giant VM Lock)は、class Threadにあるように、IO関連処理のみ並列実行してくれます。

ネイティブスレッドを用いて実装されていますが、現在の実装では Ruby VM は Giant VM lock (GVL) を有しており、同時に実行されるネイティブスレッドは常にひとつです。ただし、IO 関連のブロックする可能性があるシステムコールを行う場合には GVL を解放します。その場合にはスレッドは同時に実行され得ます。また拡張ライブラリから GVL を操作できるので、複数のスレッドを同時に実行するような拡張ライブラリは作成可能です。

また、CRuby以外の実装について言及しますと、JRuby,RubiniusともにGILは存在せず、並列実行が可能です。

それでは、本題に戻りまして、CRubyがスレッドセーフなのかについて考えていきたいと思います。
まず、
Ruby core classes aren't thread-safe
を見ますと、Hashへのデクリメント操作の結果が、

MRI 1.9.3 : 0
JRuby 1.7.2 : 486
RBX 2.0.0rc1 : 2

となってきており、CRubyのHashはスレッドセーフに実行されていることがわかります。
(内容を端折っていますが、Hashの１つの要素に4000という値を入れて、マルチスレッドで4000回デクリメントした結果になります。)

この結果から、引用先の記事には次のような記述があります。

This is what the tweet alluded to. Our experience with MRI may lead us to think that the core classes are thread-safe, but this is an 'accident' of MRI that really shows itself as an accident when you run the same code on other runtimes

要するに、たまたまCRubyはスレッドセーフ的に動いてますよということですね。

では、次に
Nobody understands the GIL - Part 2: Implementation

を見てみますと、Charles Nutter氏(JRuby開発者)がコメントで次のように述べています。

Put simply, only standalone C functions are "atomic" in MRI.

なるほど、C言語実装の関数単独ではatomicということですね。
C functionsがatomicということは、CRubyはスレッドセーフなのか....そうはいかないらしいです。

Does the GIL Make Your Ruby Code Thread-Safe?
を見てみます。

引用先に次のようなコードが有ります。

class Sheep
  def initialize
    @shorn = false
  end

  def shorn?
    @shorn
  end

  def shear!
    puts "shearing..."
    @shorn = true
  end
end

sheep = Sheep.new

5.times.map do
  Thread.new do
    unless sheep.shorn?
      sheep.shear!
    end
  end
end.each(&:join)

元記事を読んでいただくほうが良いと思いますが、私なりにコードの説明をしますと、
Sheepクラスは、shornメソッドとshear!メソッドがあります。
毛を刈り込まれていない羊(!shorn?)が存在すれば、毛を刈り込みます(shear!)。
このコードの実装者の意図は、一匹の羊は、一度しか刈り込み(share!)を実行できないということになります。

しかし、このコードを実行すると、1つの羊に対してshear!が複数回呼ばれてしまうことがあります。
その理由は、shorn?とshare!が同期実行されないからです。

shorn?とshare!の同期実行を保証するためには、threadのQueueクラスを利用する必要があります。(引用先を参照ください。)
また、必ず shorn -> share! の順に実行されるのであれば、Mutexを導入すれば次のように解決できます。

class Sheep
  def initialize
    @shorn = false
    @mutex= Mutex.new
  end

  def shorn?
    @mutex.lock
    @shorn
  end

  def shear!
    puts "shearing..."
    @shorn = true
    @mutex.unlock
  end
end

色々と駄文を書いてきましたが、まとめますと、
・CRubyにおいて、C言語実装ライブラリ(Core Class、C拡張)はスレッドセーフで動作する。但し、GILの副次的な効果であり、今後どうなるかは分からない。
・一方で、Rubyで実装されたライブラリはスレッドセーフとならない可能性がある。
・ちなみに、Railsはスレッドセーフに動作できるので、Core Class + Railsが提供する関数は全てスレッドセーフで動作可能である。

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