並行・アトミック MSI ハッシュテーブル
本記事では、高速なオープンアドレスハッシュテーブルを構築する手法であるMSIハッシュテーブルに、複数のスレッドやプロセスによるアクセス時のデータ競合を防ぐためのアトミック操作を追加する方法を解説しています。
まず、単一の挿入スレッドと順序を気にしない消費者がいるシンプルなケースから始まり、その後、より現実的なシナリオに対応するためにacquire-releaseセマンティクスを使用し、複数のプロデューサー環境での挿入処理における compare-and-swap を用いた最適化についても説明しています。
これらの改良により、コンパイラが不要な命令順序変更を行わないように制約し、消費者がプロデューサーの挿入順序を観察できるようになります。
高性能なハッシュテーブルを並行処理環境で実現する技術が注目されています。本記事では、高速なオープンアドレス方式のハッシュテーブルであるMSIハッシュテーブルに、アトミック操作を組み込むことで、複数のスレッドが安全にアクセスできる仕組みを解説します。これは、並行処理におけるデータ競合（データレース）を防ぐための高度な手法です。
単一プロデューサー環境での最適化
まず、挿入を行うスレッドが一つ（単一プロデューサー）で、削除がないという最もシンプルなケースから解説します。この場合、挿入順序が保証されなくても問題ないという前提で、アトミック操作の中でも最も緩い『リラックスドアトミック』を使用できます。
これにより、読み取り（コンシューマー）と書き込み（プロデューサー）のデータ競合を解消しつつ、ロックなどのオーバーヘッドを発生させずに高速な動作を実現しています。これは、整数型のキーを扱う場合に有効な手法です。
データ依存性を考慮した同期処理
次に、ハッシュテーブルに格納される要素が単なる整数ではなく、より複雑なオブジェクト（ポインタ）である場合を考えます。この場合、挿入されるオブジェクト自体が持つデータ（例：キー情報）を、コンシューマーが参照する前にプロデューサーが完全に準備し終える必要があります。
この要件を満たすため、アトミック操作を『アクイア・リリース』に格上げします。これにより、プロデューサーの書き込みが完了したことがコンシューマーに確実に伝わり、データの一貫性が保たれるよう同期されます。これはより現実的な並行処理のシナリオです。
マルチプロデューサー環境への拡張
さらに複雑なマルチプロデューサー・マルチコンシューマー（MPMC）環境では、挿入処理の変更が必要となります。このケースでは、複数のスレッドが同時に同じスロットを更新しようとするため、ロックを使わずに楽観的に更新を行うアプローチが取られます。
具体的には、現在のスロットの内容を読み取り、もし空であれば、新しい要素をその場ですぐに置き換える『比較＆スワップ（CAS）』といったアトミック操作を利用して、競合を解決していく仕組みが採用されます。これにより、ロックフリーで高い並行性を維持します。
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May 06, 2026
nullprogram.com/blog/2026/05/06/
Readers will be familiar with Mask-Step-Index (MSI) hash tables, a
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