パターンでわかる! .NET Coreの非同期処理
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セッションビデオ: https://www.youtube.com/watch?v=YF7n8YqEfCg ブログ: https://www.kekyo.net/2019/10/07/6995 2019.10.5 .NET Conf 2019 meetup in AICHI https://centerclr.connpass.com/event/143949/
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- 2. パターンでわかる! .NET Coreの 非同期処理 2019.10.5 .NET CONF 2019 MEETUP IN AICHI - KOUJI MATSUI (@KOZY_KEKYO, @KEKYO2)
- 3. Kouji Matsui – kozy, kekyo • NAGOYA city, AICHI pref., JP • Twitter – @kozy_kekyo, @kekyo2 / Facebook • Self employed (I’m looking for a job) • Microsoft Most Valuable Professional VS and DevTech 2015- • Certified Scrum master / Scrum product owner • Center CLR organizer. • .NET/C#/F#/IL/metaprogramming or like… • Bike rider
- 4. Agenda .NET Core 3とC# 8.0で完成した.NET非同期処理 .NET非同期処理のおさらい .NET非同期処理の現実と設計 追加された非同期処理の要素
- 5. What’s new features 本日は、以下のことをお話します: .NET非同期処理のおさらい ◦ 概要と基本的な書き方 ◦ コンソールアプリケーションとGUIアプリケーションとの違い ◦ お勧めしたいプラクティスとアンチパターン .NET非同期処理の現実と設計 ◦ 現実的なアプリケーションへの適用と課題 追加された非同期処理の要素 ◦ 足りなかったもの・足りていると勘違いされていたもの
- 6. What’s new features .NET Core 3とC# 8.0で、.NETの非同期処理はついに完成 Task async-await ValueTask IAsyncEnumerable Awaitable foreach 世 代
- 7. What’s new features .NET Core 3とC# 8.0で、.NETの非同期処理はついに完成 Task async-await ValueTask IAsyncEnumerable Awaitable foreach .NET Core 3 世 代
- 8. What’s new features .NET Core 3とC# 8.0で、.NETの非同期処理はついに完成 Task async-await ValueTask IAsyncEnumerable Awaitable foreach 非同期処理記述の 容易さの壁 (1) 非同期処理記述の 容易さの壁 (2) 世 代 今日は、壁より前の話や内部の話はしません。 なぜ非同期で処理を行う必要があるのかについては、 「Async訪ねて3000里」を参照
- 9. .NET非同期処理のおさらい 非同期処理、ポイントを押さえれば難しくありません。なの に、正しく書けてない、場合によっては危険なコードが散見さ れます。 .NET Core 3とC# 8.0で劇的に便利になったので、そろそろマス ターしちゃいましょう！ 非同期処理を記述する際に遭遇する問題のパターンと、解決 の方策を示します。
- 15. 基本的な操作(1) – ファイルアクセス C# 7.1から、Mainメソッドが Taskを返せるようになった
- 26. 独立した非同期処理 Appendix 末尾にAsyncとつける推奨について: 1. 末尾にAsyncとついていれば、使用者が非同期処理対応の メソッドを容易に見分けられる（インテリセンスを活用 する意味でも重要） 2. よく見られる誤ったプラクティス: `async`とマークした場 合に、メソッド名末尾にAsyncと付ける… → TaskやTask<T>を返した場合に、末尾にAsyncを付ける Streamクラスのメンバー一覧
- 41. 基本的な操作 Appendix 戻り値の型 直接的な意味 処理の詳細 Task<T> 非同期処理を行いT型の結果 を返す 非同期処理を行い、処理完了後に 結果を値として返す Task 非同期処理を行い結果を返さ ない 非同期処理を行い、処理完了後に 完了したことだけが通知される T 同期処理でT型の結果を返す、 又は結果を返しつつ非同期処 理の状態を返さない 通常の値を返すメソッド。しかし 場合によっては非同期処理が走っ ているかもしれない void 同期処理で結果を返さない、 又は非同期処理で状態も結果 も返さない 通常の値を返さないメソッド。し かし場合によっては非同期処理が 走っているかもしれない
- 46. 現実と設計(1) – 競合と回避 100にならない… → 排他処理を何もしていないので、 競合が発生している
- 47. 現実と設計(1) – 競合と回避 awaitを使っていると、lockステートメントで モニターロックは出来ない （C#コンパイルエラー） モニターロック（ミューテックス）で 競合を回避したい、が…
- 50. 現実と設計(1) – 競合と回避 1 2 3 4 await await await 継続処理用ワーカースレッド群 （スレッドプールから取得） awaitの前後で、処理スレッドが変わる （かもしれない）
- 51. 現実と設計(1) – 競合と回避 1 2 3 4 await await await モニターロック取得スレッド モニターロック解放スレッド スレッドが一致していないので例外が発生
- 53. 現実と設計(1) – 競合と回避 NuGetパッケージ: Nito.AsyncEx Stephen Cleary氏の作品 ほぼlockステートメントと同じように使えて、 非同期処理対応（排他待機をawait出来る）
- 54. 現実と設計(1) – 競合と回避 .NET標準（ハードウェイト） Nito.AsyncEx（非同期処理対応） Monitor, lockステートメント AsyncLock, AsyncMonitor Mutex AsyncLock Semaphore AsyncSemaphore ManualResetEvent AsyncManualResetEvent AutoResetEvent AsyncAutoResetEvent ReaderWriterLock AsyncReaderWriterLock しかし、そもそも排他制御を行って いると、オーバーヘッドでパフォー マンスが上がらないと言う問題があ ります（重要） 他にもSlim版（SemaphoreSlimなど）がありますが、ハードウェ イトのみないし、部分的に非同期に対応しているのみなので、 非同期処理には推奨しません Nito.AsyncExを使うと、非同期処理 で安全に排他制御できます
- 56. 現実と設計(2) – GUIとスレッド ボタンが押されたら ファイル内の数値文字列を インクリメントする WPFアプリケーション WpfAppRaceConditionWithAsync.csproj
- 58. 現実と設計(2) – GUIとスレッド 1 2 3 4 await await await ①がメインスレッド その他はワーカースレッド (?) ワーカースレッドで実行され たら例外で死ぬのでは？
- 61. 現実と設計(2) – GUIとスレッド 1 await await await 根本的な疑問「なぜ非同期処理をGUIアプリケー ションに適用すると、ユーザーインターフェイス が固まらないのですか？」
- 63. 現実と設計(2) – GUIとスレッド 1 2 3 4 await await await await後の処理を 「継続処理」と呼びます 継続処理 (1) 継続処理 (2) 継続処理 (3) コンソールアプリケーションと どう違うのか？
- 64. 現実と設計(2) – GUIとスレッド 1 2 3 4 await await await デフォルトでは、継続処理の実行には、必ず ワーカースレッドが割り当てられます （メインスレッドとの区別はほとんどない） 継続処理 (1) 継続処理 (2) 継続処理 (3)
- 65. 現実と設計(2) – GUIとスレッド 継続処理 (1) 継続処理 (2) 継続処理 (3) 1 await await await WPFやWinFormsでは、継続処理の実行に、 常にメインスレッドが割り当てられます。 この制御を行っているのが、 SynchronizationContextの派生クラスです
- 68. 現実と設計(2) – GUIとスレッド 1 2 3 4 await await await WPFデフォルトの挙動を無視し、以降は ワーカースレッドを割り当てるようになる もはや必ずワーカースレッドで実行されるので、 UIにアクセスする場合は、Dispatcherを使う必要があります
- 69. 現実と設計(2) – GUIとスレッド 1 2 3 4 await await await ワーカースレッド間の転送は比較的 低コストなので、この間の継続処理 は実行効率が高くなる ここはメインスレッドに 転送するコストが高い
- 71. 現実と設計(3) – 頻出パターン XMLデータをダウンロードして パースする 非同期パース対応(.NET Core 3から) AggregateThingsWithAsync.csproj
- 80. 現実と設計(3) – 頻出パターン 非同期ラムダブロック: Task<Xelement[]>
- 81. 現実と設計(3) – 頻出パターン XML LINQ
- 85. 現実と設計(3) – 頻出パターン entry Text Text Text entry Text Text entry Text Text Text Text entry Text WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine 動きを振り返ってみます
- 86. 現実と設計(3) – 頻出パターン entry Text Text Text entry Text Text entry Text Text Text Text entry Text foreachの2重ループ 逐次実行 WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine ChattyなUIへのアクセス (GUIの場合、ボトルネックになりうる）
- 87. 現実と設計(3) – 頻出パターン entry Text Text Text entry Text Text entry Text Text Text Text entry Text WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine entry Text Text Text entry Text Text entry Text Text Text Text entry Text TextTextText TextText TextTextText Text Text TextTextTextTextTextTextText WriteLine
- 88. 現実と設計(3) – 頻出パターン entry Text Text Text entry Text Text entry Text Text Text Text entry Text WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine WriteLine entry Text Text Text entry Text Text entry Text Text Text Text entry Text TextTextText TextText TextTextText Text Text TextTextTextTextTextTextText WriteLine LINQでそれぞれの Textを集約 Task.WhenAllで 全部の非同期 を集約Task Task Task Task
- 89. 現実と設計(3) – 頻出パターン entry Text Text Text entry Text Text entry Text Text Text Text entry Text TextTextText TextText TextTextText Text Text TextTextTextTextTextTextText WriteLine Task Task Task Task 内側の処理をそれぞれ独立させて、 相互に依存しないようにします 並列実行性が高まります（安全） →モデル設計 M-(V-VM)
- 90. 現実と設計(3) – 頻出パターン entry Text Text Text entry Text Text entry Text Text Text Text entry Text TextTextText TextText TextTextText Text Text TextTextTextTextTextTextText WriteLine 全部の非同期処理を集約 するだけ 全部集約されてから、UIにアクセス 裏を返すと全部集約されないと UIにアクセスできない （トレードオフ）
- 92. 現実と設計 Appendix ハードウェイト（ハードブロック） ◦ スレッドを（WindowsやLinuxなどのOSカーネルの機能で）一時停止させること。非同 期処理に対して、非互換。例外やデッドロックを引き起こす可能性があります。 ◦ Thread.Sleep(), Thread.Join() ◦ Monitor.Enter() ◦ WaitHandle.WaitOne(), WaitHandle.WaitAny(), WaitHandle.WaitAll() ◦ Task.Wait(), Task.Result いつも言っていますが、ここまでの解説で、 上記は一切使っていません。 「Task.Wait(), Task.Resultは使いません・使えません・ 使う必要がありません！！」
- 93. 現実と設計 Appendix 非同期処理（待機可能・Awaitable） ◦ 実行単位をスレッドではなく、抽象的なタスクとみなし、タスクを一 時停止させる。タスクを実行するのはスレッドですが、特定のタスク がいつも特定のスレッドで実行されるとは限りません。 ◦ Task.Delay() ◦ Stream.ReadAsync(), Stream.WriteAsync() ◦ TextReader.ReadLineAsync(), TextWriter.WriteLineAsync() ◦ HttpClient.GetAsync(), HttpClient.PostAsync() 上記は全てTask又はTask<T>を返します。
- 99. 追加された要素(1) – ValueTask 1. Taskで宣言していたところを機械的にValueTaskに置 き換え出来る。 2. Taskで出来ることはValueTaskでもだいたいできる。 3. ValueTask.AsTask()を呼び出せばTaskに変換できる。 ValueTask.WhenAllはないが、Taskを 返す非同期処理を混ぜて使える
- 101. つまり？ async-await構文でawaitしまくるコードを書いた場合: ◦ Taskだとawaitの度にTaskのインスタンスが生成されるので、効率が悪い ◦ ValueTaskだと結果が直ぐに得られる場合は、インスタンス生成コスト が発生しない 追加された要素(1) – ValueTask 注意: ValueTaskを使う場合は、 System.Threading.Tasks.Extensions パッケージを追加する必要があります
- 102. 追加された要素(2) – 非同期イテレーター Task.WhenAllが配列を返す件。 yield returnを非同期処理と組み合わせて使えます。
- 103. 追加された要素(2) – 非同期イテレーター データ群の処理方法 foreachによる逐次処理 Task.WhenAllによる集約処理 メリット 従来のループ手法をそのまま適用 できる。 出力やUIへの反映が逐次実行され る（インタラクティブ性・スト リーミング） 集合演算に根付く考え方に適合する なら、非常に直感的で高レベルな記 述が可能（LINQ）。 モデル設計として独立させやすい。 並列実行される。 デメリット 並列処理がやりにくい、あるいは そのままでは出来ない。 モデル設計として処理を完全に分 離することが難しい。 全てのデータが集約されてからしか、 結果にアクセスできない（配列）。
- 104. 追加された要素(2) – 非同期イテレーター entry Text Text Text entry Text Text entry Text Text Text Text entry Text TextTextText TextText TextTextText Text Text WriteLine TextTextTextTextTextTextText
- 105. 追加された要素(2) – 非同期イテレーター entry Text Text Text entry Text Text entry Text Text Text Text entry Text TextTextText TextText TextTextText Text Text Text Text Text Text Text WriteLine この部分を、データが得られたところ から逐次実行できないものか…
- 109. 追加された要素(2) – 非同期イテレーター IEnumerable<T>と同じように、 yield returnで要素を返せる
- 111. 追加された要素(2) – 非同期イテレーター 非同期イテレーターは、 新しいawait foreachという構文で、 非同期的に列挙できる
- 114. 追加された要素(2) – 非同期イテレーター foreachによる逐次処理 Task.WhenAllによる集約処理 非同期イテレータを使う処理 メリット 従来のループ手法をそのま ま適用できる。 出力やUIへの反映が逐次実 行される（インタラクティ ブ性・ストリーミング） 集合演算に根付く考え方に適 合するなら、非常に直感的で 高レベルな記述が可能 （LINQ）。 モデル設計として独立させや すい。 並列実行される。 従来のループ手法をそのまま適 用できる。 出力やUIへの反映が逐次実行さ れる（インタラクティブ性・ス トリーミング） モデル設計として独立させやす い。 デメリット 並列処理がやりにくい、あ るいはそのままでは出来な い。 モデル設計として処理を完 全に分離することが難しい。 全てのデータが集約されてか らしか、結果にアクセスでき ない（配列）。 並列処理がやりにくい、あるい はそのままでは出来ない。
- 115. Any question? Thank you for join!! スライドのコードは全てここにあります: https://github.com/kekyo/dotnetconf2019
- 116. Any question? Thank you for join!! https://github.com/kekyo/dotnetconf2019