アトミック変数・とは？初心者のための徹底解説と使い方の実例共起語・同意語・対義語も併せて解説！

この記事を書いた人

高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

アトミック変数・とは？

「アトミック変数」とは、複数の作業が同時に同じ変数を操作しても、途中で中断されずに「一つの操作として完了する」特徴を持つ変数のことです。この性質を持つことで、データの競合を減らせます。日常の例えとして、銀行口座の同時取引を想像すると分かりやすいです。もし二人が同時に同じ口座を動かそうとした場合、口座の残高が間違ってしまうかもしれません。アトミック変数は、こうした競合を防ぐ仕組みの一つです。

通常の変数は複数の処理が同時に読んだり書いたりすると、値が不安定になります。これを競合状態と呼びます。アトミック変数はこの競合状態を避ける手助けをします。

原子性を保証するには、特別な操作（原子操作）や適切な同期の仕組みが関係してきます。代表的な言語の例として、C++のstd::atomic、JavaのAtomicInteger、RustのAtomicUsizeなどがあります。これらは「値を変えるときに他の処理に邪魔されない」ことを約束します。

ざっくりイメージと使い方のヒント

例えば「変数の値を1増やす」という操作を考えます。通常の変数では「読み取り」→「加算」→「書き戻し」という三つのステップがあり、別のスレッドが途中で介入すると途中結果が崩れることがあります。アトミック変数なら、この三つのステップが一つの不可分な操作として実行されることが多いです。

ただし、アトミック変数が万能というわけではありません。複数の変数を組み合わせて扱う複雑な処理には、データの整合性を守るためにロック（mutex）や他の同期手段が必要になることがあります。使い所を見極めることが大切です。

実際の比較とポイント

特性	普通の変数	アトミック変数
原子性	なし	あり
競合状態の回避	起こりうる	起こりにくい/回避できる
実装コスト	ロックが必要な場合あり	多くは軽量
使い方の難易度	簡単だが注意が必要	正しく使えば安全

まとめ

アトミック変数は、複数の処理が同時に同じ変数を触る場面で衝突を避ける手段として有効です。しかし、全てを解決する魔法の道具ではなく、使い方を誤ると逆に複雑さが増すこともあります。基本を押さえ、必要な場面だけ使うことが大切です。

初心者向けの要点は次の三つです。第一に、アトミック変数は競合を減らす道具で、すべてのケースを解決するわけではありません。第二に、複数の変数を連携させる場合には、ロックや他の同期機構が必要になることがあります。第三に、使いすぎると逆にパフォーマンスを低下させる原因になります。状況を見極めて使い分けましょう。

補足

実務では言語ごとにアトミック変数の使い方が異なります。C++ならstd::atomic、JavaならAtomicInteger、Pythonなら標準ライブラリの同期機構、RustならAtomicUsizeなどが代表例です。公式ドキュメントを参照して、適切な型と操作を選ぶことが大切です。

アトミック変数の同意語

アトミック変数: 同時実行環境で、読み書きが中断されず1つの操作として完結することを保証する変数。複数のスレッドが同時にアクセスしても競合状態が生じないよう設計されています。
原子変数: アトミック変数の日本語表現。読み書きが他の操作に分断されずに完結する性質を持つ変数。
原子性を持つ変数: 原子性を備えた変数。複数のスレッドが同時に操作しても、途中で他の操作に干渉されずに完結します。
原子性を保証された変数: 原子性の保証を前提とした変数。読み書きが中断されず、競合を回避する設計になっています。
不可分変数: 操作が途中で分割されず、他の処理に割り込まれない性質を持つ変数。アトミック性の概念を表す別表現として使われることがあります。
アトミック性のある変数: アトミック性を備えた変数。複数のスレッドからの同時アクセス時にも、操作が一度に完結します。

アトミック変数の対義語・反対語

非原子変数: アトミック変数の対義語として、原子性を持たない通常の変数。複数のスレッドが同時に更新すると競合状態が発生しやすく、正しい更新が保証されません。
スレッド非安全変数: 複数のスレッドが同時にアクセス・更新すると正しく動作せず、原子性の保証を欠く変数。
共有変数(同期なし): 複数のスレッドから共有される変数で、適切な同期がないと原子性が保たれずデータ競合が起こることがあります。
原子性を提供しない変数: 名称そのままの説明。特に多スレッドで安全性を担保しない変数。
レース条件を引き起こしやすい変数: 同時更新時にデータ競合が生じやすい性質の変数。
ロックで保護された変数: ロックを用いて同期をとるタイプの変数。原子性の保証はなく、ロックの適用状況次第で安全性が変わります。
競合状態を起こす可能性のある変数: 複数スレッドが同時に更新することで結果が不定になる可能性のある変数。

アトミック変数の共起語

原子性: 操作が中断されずに完結する性質。複数のスレッドが同時に介入しても、途中経過が見えず、1つの不可分な処理として扱われます。
アトミック操作: 中断されずに一度の処理として完了する基本的な操作。CASやatomic等が代表例です。
CAS: Compare-and-Swap の略。現在の値と期待値を比較して一致すれば新しい値に置き換える原子操作。
CASループ: CASを繰り返し用いて、他スレッドの干渉を回避しながら値を更新する設計パターン。
競合状態: 複数のスレッドが同じデータを同時に更新して予測不能な結果になる状態。
スレッドセーフ: 複数のスレッドから同時に呼び出されても正しく動作する設計・実装のこと。
同期: 複数の処理の実行順序や可視性を揃えるための手段。
ロック: 同時実行を制御する基本的な手段。データの整合性を守るために使用します。
ミューテックス: 排他制御のロックの一種。1つのスレッドだけがリソースを使用可能にします。
volatile: 変数の可視性と順序の保証を提供する修飾子。読み書きが他スレッドに直ちに反映されやすくなります。
アトミック値型 (AtomicInteger/AtomicLong/AtomicBoolean/AtomicReference): 整数・長整数・真偽値・参照を原子操作で扱うクラス群。
AtomicInteger: 整数値を原子操作で扱うクラス。
AtomicLong: 長整数を原子操作で扱うクラス。
AtomicBoolean: 真偽値を原子操作で扱うクラス。
AtomicReference: 参照を原子操作で扱うクラス。
AtomicStampedReference: 参照とスタンプ（バージョン）を同時に原子操作で扱うクラス。
AtomicMarkableReference: 参照とマークを同時に原子操作で扱うクラス。
java.util.concurrent.atomic: Javaで原子操作を提供するパッケージ群。
std::atomic: C++で原子型と原子操作を提供する機能群。
memory_order_seq_cst: 最も厳格なメモリ順序。操作の全体的な順序を保証します。
memory_order_relaxed: 順序保証を最小限にして可用性を高めるメモリ順序。
memory_order_acquire: 取得側の順序保証を提供。リソースの読み込み前の操作を並べ替えないようにします。
memory_order_release: 解放側の順序保証を提供。リソースの書き込み後の操作を並べ替えないようにします。
メモリフェンス / バリア: 特定のメモリ操作の実行順序を強制する機械。
フェンス: メモリ順序を制御するための境界点。最適化による順序変更を抑制します。
スピンロック: ロックが解放されるまでCPUを回し続けて待つ待機手法。
ロックフリー: 全ての操作がロックを使用せずに完結する設計思想。
Wait-free: 任意のスレッドが有限回のステップで完了することを保証する設計。
共有変数: 複数のスレッドから読み書きされる変数。同期が必須となる対象。
AtomicReferenceFieldUpdater: オブジェクトのフィールドを原子更新する補助クラス。

アトミック変数の関連用語

アトミック変数: 複数のスレッドが同時にアクセスしても中断されず、1回の不可分な操作として扱われる変数。読み取りと書き込みが他の操作と干渉せず完結します。
原子性: 操作が中断されず、他の処理と分離して1つの不可分な単位として実行される性質。データ競合を防ぐ基盤となります。
アトミック操作: 原子性を満たす読み取り・更新・加算・減算などの操作。途中で他のスレッドに邪魔されません。
CAS（Compare-and-Swap）: 現在の値を期待値と比較し、等しければ新しい値に置き換える原子操作。多くのアトミック実装の基盤となります。
メモリ順序: アトミック操作の可視性と実行順序を決める規則。Relaxed、Acquire、Release、AcqRel、SeqCst などが代表格です。
SeqCst（逐次一貫性）: 最も厳格なメモリ順序。全スレッド間で操作の見える順序を厳密に保証します。
Acquire/Release: Acquireは取得時の可視性を、Releaseは解放時の可視性を保証する順序の要素です。
ロックフリー: 少なくとも1つのスレッドが待たずに操作を完了できる設計の性質。デッドロックになりにくい利点があります。
スピンロック: 変数の値が期待通りになるまでCPUを使って回し続ける軽量ロック。CASなどと組み合わせて実装されます。
ミューテックス: 相互排除を実現する従来型のロック。クリティカルセクションを同時に1スレッドだけが実行します。
メモリバリア/バリア: 特定の操作の順序や可視性を保証するための同期機構。アトミック操作と併用されることが多いです。
C11/C++のアトミック機能: _Atomic型やstd::atomicを使って、型安全に原子操作を提供します。
JavaのAtomic系クラス: AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean、AtomicReference など。内部でCASを使い、共有データの安全な更新を実現します。
Rustの原子型と Ordering: AtomicUsize などの原子型と、Orderingで可視性を細かく指定。代表的な値は Relaxed、Acquire、Release、AcqRel、SeqCst です。
Goの原子操作: sync/atomic パッケージが提供。Load、Store、Add、Swap、CompareAndSwap など、Goでの原子操作をサポートします。
ABA問題: CAS が過去に値が変わって元の値に戻ってしまうと正しく検出できなくなる問題。対策としてバージョンやスタンプを用います。
スタンプ付き参照/スタンプ付きポインタ: ABA問題対策として、参照にバージョン情報（スタンプ）を付けて更新を検出する手法です。
読み取り-更新系の操作（Fetch and Add など）: 1つの原子操作として、読み取りと更新を一体化した操作（fetch_add, fetch_sub, compare_exchange など）です。