並行性モデル（CSP・アクター・STM）

なぜ「モデル」で考えるのか

並行処理の難しさの本質は、複数の実行主体が同じ状態に同時に触れることにあります。スレッドが共有変数を読み書きすれば、読み出しと書き込みの間に別スレッドが割り込み、結果が実行順序に依存するデータ競合が生じます。これをロックで守るのが伝統的な手法ですが、ロックはデッドロック・優先度逆転・粒度設計の難しさを抱えます。

そこで「状態をどう共有し、どこで同期を取るか」という計算モデルそのものを選び直す発想が生まれました。本記事では四つの潮流を、同期原理（どの操作が待ち合わせ点になるか）と適用領域で整理します。

系統と分岐（年代で追う）

理論の派生関係を時系列で押さえると、各モデルの狙いが見えます。

• 1965年ごろ：Dijkstra がセマフォを定式化（共有メモリ＋ロックの基礎）。
• 1973年：Hewitt らがアクターモデルを提唱。非同期・私有状態の世界観。
• 1978年：Hoare が**CSP（Communicating Sequential Processes）**を発表。チャネルでの同期通信で協調。後の Occam・Go の土台。
• 1986年：Ericsson がErlangでアクターを実用化（軽量プロセス＋「let it crash」）。
• 1995年〜2007年：Shavit らが**STM（Software Transactional Memory）**を提案し、Haskell が型で副作用を隔離する実用形を確立。

共有メモリとロック：すべての出発点

共有メモリモデルでは、複数スレッドが同一アドレス空間を共有し、ミューテックスで臨界区間を直列化します。同期原理は「ロックを保持している間は他者を待たせる」という排他です。

lock(m)
  balance = balance - 100   // 臨界区間：一度に1スレッドだけ
unlock(m)

効率は高い一方、正しさの責任が完全にプログラマ側にあります。複数ロックの取得順序が揃わないとデッドロックが起き、ロック範囲が広すぎれば並行度が落ち、狭すぎれば守り漏れます。以下の三モデルは、この「共有＋ロック」の難しさを別の原理で置き換える試みです。

CSP：チャネルが主役、通信が同期点

CSP では実行主体（ゴルーチン等）は状態を共有せず、チャネルという通信路を介してのみ値を受け渡します。標語は「メモリを共有して通信するな、通信してメモリを共有せよ」。

同期原理は**ランデブー（待ち合わせ）**です。容量0（unbuffered）のチャネルでは、送信は受信側が受け取るまでブロックし、受信は送信が来るまでブロックします。つまり送受信の一致点が同期点になり、ここでメモリの引き渡しと順序保証が同時に成立します。

ch := make(chan int)        // 容量0：送受信が出会う点で同期
go func() { ch <- compute() }() // 受信者が現れるまで待つ
result := <-ch              // 送信者が現れるまで待つ

チャネル自体は共有資源なので競合し得ますが、値の所有権を送信時に手放す規律を守れば、同じデータに二者が同時に触れる状況を避けられます。select による多重待ち受けで、複数チャネルのどれかが準備でき次第処理する分岐も書けます。

アクター：私有状態と非同期メールボックス

アクターモデルでは、各アクターが(1) 自分だけがアクセスできる私有状態、(2) 受信箱（メールボックス）、(3) メッセージ処理関数を持ちます。アクターにできることは三つだけ——メッセージを送る、新しいアクターを作る、次に受け取るメッセージへの振る舞いを決める。

CSP との決定的な違いは、通信が非同期な点です。送信はメールボックスへ投函した時点で完了し、受信側の処理を待ちません。各アクターはメッセージを一度に1通ずつ逐次処理するため、私有状態にロックは不要です。状態を変えられるのは自分自身だけだからです。

receive
  {deposit, Amount} -> Balance = Balance + Amount
  {withdraw, Amount} -> Balance = Balance - Amount
  {query, From}      -> From ! Balance
end

Erlang の「let it crash」は、アクターが独立しているからこそ成立します。あるアクターが異常終了しても他へ状態は波及せず、監督（supervisor）アクターが再起動で復旧します。詳しい例外伝播の考え方は例外処理（エラーハンドリング）も参照してください。

STM：メモリ操作をトランザクションで包む

STM は、複数のメモリ操作を一つのトランザクションとしてまとめ、データベースの ACID にならってアトミックに実行します。同期原理は楽観的並行制御です。実行中は他者をロックせず、コミット時に「読んだ値が途中で変わっていないか」を検証し、衝突していればトランザクション全体を破棄して自動リトライします。

atomically:
  x = readTVar a
  writeTVar a (x - 100)
  y = readTVar b
  writeTVar b (y + 100)   -- a と b の更新は不可分。途中状態は外から見えない

利点は合成可能性です。ロックは「ロックAを取る関数」と「ロックBを取る関数」を組み合わせると順序起因のデッドロックを生みますが、STM のトランザクションは入れ子にしても一つの大きなトランザクションに合流するだけで、デッドロックが原理的に起きません。さらに retry 構文で「条件が整うまで待つ」ブロッキングも宣言的に書けます。

STM が「不変データ＋限定された可変参照」と相性が良いのは、読み取りスナップショットの一貫性を保ちやすいからです。状態を極力変えない設計の利点はイミュータビリティ（不変性）にまとまっています。

同期原理の早見表

どう選ぶか

唯一の正解はなく、問題の性質で選びます。

• CSP：処理を段階に分けてデータを流すパイプラインや、明確な受け渡しのある協調に向く。同期点が見えるので順序や流量を制御しやすい。
• アクター：多数の独立した実体（接続・セッション・デバイス）を疎結合で扱い、障害を隔離したい分散システムに向く。
• STM：複数の共有データをまとめて不可分に更新したい、かつ副作用が少ない局面に向く。ロックの合成で破綻していたコードを安全にできる。
• 共有メモリ＋ロック：最高性能が要る狭い範囲や、上記モデルの内部実装としては今も現役。

並行処理の入口である待ち合わせの基礎は同期処理と非同期処理で、実行時の状態管理という観点はガベージコレクションで補強できます。モデルを使い分ける前提は一つ——**「同じ可変状態に二者を同時に触れさせない」**という原理を、ロック以外の手段でどう実現するかという発想です。