ZigによるMichael-Scottロックフリーキュー実装ライブラリ

概要

Zig-LockFreeQueueは、Zigプログラミング言語で実装されたMichael-Scottロックフリーキューのライブラリです。Michael-Scottアルゴリズムは、ロックを用いずに複数スレッドから安全にデータの追加・削除を可能にする非ブロッキングキューの代表的手法として知られています。本ライブラリでは、Zigの原子操作（Atomic types）を活用し、メモリの一貫性とスレッド間の安全な通信を確保。これにより、従来のロックベースのキューに比べて競合による待ち時間やデッドロックのリスクを低減し、高スループットな並行処理が実現されています。

主な特徴

Zig言語でのMichael-Scottロックフリーキュー実装
Atomic型を用いた非ブロッキング設計でスレッドセーフを実現
高効率な並行処理対応でデッドロックの回避が可能
シンプルかつコンパクトなコードベースで理解・拡張が容易

技術的なポイント

本ライブラリの中核はMichael-Scottアルゴリズムの適用にあります。このアルゴリズムは、単方向連結リストを用いたキュー構造に対し、enqueue（追加）とdequeue（削除）操作を非ブロッキングかつスレッドセーフに実現します。従来のキュー実装で一般的なミューテックスやスピンロックによる排他制御を排除し、原子操作のみで状態管理を行う点が特徴です。

Zig-LockFreeQueueでは、Zig言語が持つ強力なAtomic型を利用して、キューのheadとtailポインタを原子レベルで操作します。これにより、複数スレッドが同時にenqueue/dequeueしても整合性を保ちつつ競合状態を回避可能です。Atomic型はCPUのメモリバリア機能を活用し、キャッシュの一貫性を保ちながら高速な操作を実現します。

具体的には、enqueue操作では新ノードを作成し、tailポインタの原子比較交換（CAS）を用いて末尾にリンクします。dequeue操作ではheadポインタを原子操作で進め、先頭ノードを安全に取り出します。CASによる競合検出と再試行ループにより、他スレッドの処理完了を待つことなく処理を継続できるため、システム全体のスループット向上に寄与します。

また、Zigのメモリ管理の特徴を活かし、メモリリークやポインタの不整合を防ぐ設計がなされています。エラーハンドリングも明確で、実際の利用シーンにおける堅牢性を確保。コードはシンプルかつ明快で、Zigの言語仕様を学びたい開発者にも参考になります。

このようにZig-LockFreeQueueは、ロックフリー並行データ構造の典型実装をZig言語で提供し、並行プログラミングの課題である競合回避と高速処理を両立したライブラリとなっています。今後のZigコミュニティにおける並行処理ライブラリの基盤としても期待されます。

まとめ

Zigで実装された高性能なロックフリーキューで、並行処理の効率化に有用です。