[C#備忘録]＜独断と偏見まとめ＞MultiThreadデザインパターンのC#版について

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注意

完璧に独断と偏見です。

MultiThreadデザインパターンごとのまとめ

ここに書くのは、基本的には個人的なパターンの使いどころ。
必要であれば補足する。

１． Single Thread Execution パターン

• メソッドを、スレッドセーフなもの／そうでないもので区別するだけ
  • スレッドセーフでないものはlockさせましょうねー
• 概念であり、デザインパターンとは言えないだろう

２． Immutable パターン

• クラスを、メンバ等の変化がないもの／そうでないもので区別するだけ
  • メンバ等の変化ないものは、クラス自体がスレッドセーフといえる
• これも概念であり、デザインパターンとは言えないだろう

３． Guarded Suspension パターン

• スレッド間メッセージキューのパターン
  • メッセージがない間は、受け取り側スレッドを待機させる
  • BlockingCollectionを使えば、何も考えなくてもメッセージキューが作れる

補足

• 本当の意味は、受け取り側にガード条件を設けて、ガード条件に合致しない場合は、スレッドを待ちにさせる。
• ガード条件が「メッセージが存在するか」という最もシンプルな場合は、上記のメッセージキューに当てはまる。
  • ガード条件が複雑な場合は、Wait/Pulseを駆使する必要がある。
  • けど、キューは排他機能付きの~~ConcurrentQueue~~BlockingCollectionを使うべし。

４． Balking パターン

• Guarded Suspension パターンの亜種
• ガード条件に合致しないときは、処理を中止する
  • 中止することで、パフォーマンス向上を図る
• Guarded Suspension パターンに、不要だったら処理を中止するという機能を付加するというイメージ

５． Producer-Consumer パターン

• Guarded Suspension パターンで、メッセージの送り手と受け手の両方にガード条件が存在するパターン
  • 例えば、メッセージキューでキューの上限が決まっていて、送り手側でキューが上限に達していたら待つ処理を追加するときに用いる
• つまり、Guarded Suspension パターンに機能を付加するイメージ

６． Read-Writer Lock パターン

• ２種類のlockを使用して排他制御する
  • 書き込み用ロック：ロック中は、書き込みも読み込みもできない
  • 読み込み用ロック：ロック中は、読み込みはできるが、書き込みはできない
• ロックが不要な処理に対してはロック条件を緩くすることで、パフォーマンス向上を図る
• ReaderWriterLockSlimを使用すれば容易に実現できる

７． Thread-Per-Message パターン

• たぶん、受け取り用常駐スレッドが存在しないただの非同期処理
  • 非同期処理で実行した結果は特に待たない
  • つまり、Task.Run()してawaitやWaitしないパターン
• デザインパターンとして考えなくてよいだろう

８． Woker Thread パターン

• Producer-Consumerパターンのスレッドプール使用版
• C#ではスレッドはTask＝スレッドプールを使用するのがデファクトスタンダードなので、Producer-Consumerパターンと同一視して問題ないと思う

９． Future パターン

• 非同期処理だけど、クライアント側の好きなタイミングで結果を受け取る
  • 待ち受ける際、すぐにクライアント側に制御が返る（引換券）
  • 結果は後から受け取る
• async/awaitのことと思ってたけど、必ずしもそうではない。
  • 開始と待ち受けが、異なるメソッドの時はTask.StartとTask.Waitという使用する。
• クライアント側はマルチスレッドを意識しない（あたかもシングルスレッドで動作しているかのよう）というメリットもある

補足

一応補足しておくと、FutureパターンはThread-Per-Messageパターンの亜種

１０． Two-Phase Termination パターン

• スレッド終わるときに、後始末をしてから終わるようにすること
  • ２段階の終了処理
• あたりまえのこと。スレッドのたしなみ
• わざわざデザインパターンという程のものではない

１１． Thread-Specific Storage パターン

• 使わない。不要。
  • スレッド固有のコインロッカー。だけど、C#では基本的にスレッドプールで処理する（＝スレッドを使いまわす）ので、スレッド固有という概念が使えない
  • そもそも、使えなくても何の問題もない

１２． Active Object パターン

• FutureパターンにWokerThreadパターンを組み合わせたもの
• ごちゃごちゃしているけど、結果的にFutureパターンとの違いは、
  「固定されたスレッドがワーカーとして実処理を行う」ということ
• つまり、ワーカースレッドはシングルスレッドで処理する必要がある（例えばスレッドセーフにできないとか）ときに使える
  • クライアントスレッドへはすぐに引換券（疑似結果）が返ってくる。実際の結果は、クライアントスレッド側の好きなタイミング受け取る。
    • 受け取りフラグみたいなのを、ワーカースレッド側でONにして、フラグONでクライアント側は結果格納先にアクセスできるようにする
  • クライアントスレッドはマルチスレッドで動作させて、複数クライアントに対応できる

まとめのまとめ

以上より、強引にまとめると、覚えておくべきパターンは以下の４通り

• WorkerThreadパターン
  • スレッド間での同期処理
  • 必要であればBalkingの機能を追加する
• Futureパターン
  • 非同期処理をしつつも、クライアント側の好きなタイミングで結果を受け取る
• ActiveObjectパターン
  • Futureパターンにしたいが、処理するスレッドが１つに限定される場合にWorkerThreadパターンを融合する
• Read-Writer Lockパターン
  • 書き込みと読み込みが存在するときの排他制御

（Two-Phase Terminationパターンは重要だが、当たり前のことなのでカウントしていない）