C#のasync/awaitはOSでどう動く? Linux epoll/io_uringとWindows IOCPで見る非同期I/Oの仕組み

C#のasync/awaitはOSでどう動く？
Linux epoll/io_uringとWindows IOCPで見る非同期I/Oの仕組み

薄く、軽く理解していたC#ですが、本格的に学習する必要が出てきました。
普通に初心者向け学習コースを辿るのはつまらないので、表題にある内容をベースにC#を学び直してみようと考えました。（若干、現実逃避気味）

目次

• 1. async/await の「待たない」仕組み
• 2. Windowsでの実践：C#で非同期サーバを動かす
  • 2.1 高水準サンプル：TcpListener + NetworkStream.ReadAsync
  • 2.2 低水準サンプル：SocketAsyncEventArgs（IOCPイベント駆動）
• 3. Linux epoll──I/O多重化の礎
• 4. Linux io_uring──epollの限界を超える新世代I/O
• 5. epoll と io_uring の比較
• 6. .NETランタイムとOSの接続点（再掲）
• 補足：環境とビルドトラブル対処（Linux）
• まとめ

C# の async/await は、単なる「便利な構文」ではありません。
その背後では、OSカーネルの非同期I/O機構（Linuxの epoll / io_uring、Windowsの IOCP）が密接に連携しています。

この記事では、

• .NET の async/await が OS レベルでどのように動いているのか
• Windows での実践（C#で非同期ソケットサーバを構築）
• Linux における epoll と io_uring の考え方とサンプル
• それぞれのビルド・実行・テスト方法

を通して「待たないI/O」の実像を追います。

---

1. async/await の「待たない」仕組み

C# の非同期処理は「同時に複数動かす」ためではなく、「待っている間にスレッドを占有しない」ための仕組みです。
await によって、I/O完了を待つ間スレッドを解放し、他の処理に再利用します。

C#サンプル：async/awaitによる非同期読み込み

ファイル名: async_sample.cs

using System;
using System.IO;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static async Task Main()
    {
        Console.WriteLine("Start");
        string text = await File.ReadAllTextAsync("data.txt");
        Console.WriteLine("Done: " + text.Length + " bytes");
    }
}

実行方法（PowerShell／cmd）:

dotnet new console -n AsyncTest
cd AsyncTest
# 上記コードを Program.cs に貼り付け
dotnet run

このコードでは、File.ReadAllTextAsync が OS の非同期I/Oを呼び出します。
Windows では IOCP、Linux では epoll（将来的には io_uring）を使用して動作します。

2. Windowsでの実践：C#で非同期サーバを動かす

2.1 高水準サンプル：TcpListener + NetworkStream.ReadAsync

最短で動く Echo サーバです。内部待機は await によりスレッドを占有しません。Windows 下では IOCP による完了通知モデルが使われます。

ファイル名: AsyncTcpEcho.cs

using System;
using System.IO;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static async Task HandleClientAsync(TcpClient client)
    {
        using var stream = client.GetStream();
        var buf = new byte[1024];
        while (true)
        {
            int n = await stream.ReadAsync(buf, 0, buf.Length); // 非同期読み取り
            if (n == 0) break; // 切断
            await stream.WriteAsync(buf, 0, n);                 // 非同期書き込み（エコー）
        }
        client.Close();
    }

    static async Task Main()
    {
        var listener = new TcpListener(IPAddress.Any, 8080);
        listener.Start();
        Console.WriteLine("Listening on :8080");

        while (true)
        {
            var client = await listener.AcceptTcpClientAsync(); // 非同期Accept
            _ = Task.Run(() => HandleClientAsync(client));      // 並行処理
        }
    }
}

プロジェクト作成と実行（PowerShell／cmd）:

dotnet new console -n AsyncEcho
cd AsyncEcho
# Program.cs に上記コードを貼り付け
dotnet run

動作確認:

telnet localhost 8080

入力がそのまま返れば成功です。

2.2 低水準サンプル：SocketAsyncEventArgs（IOCPイベント駆動）

IOCP の「完了通知」モデルに近いイベント駆動APIです。大量接続の土台に向きます。

ファイル名: SaeaEchoServer.cs

using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;

class SaeaEchoServer
{
    private readonly Socket _listen;
    public SaeaEchoServer(IPEndPoint ep)
    {
        _listen = new Socket(ep.AddressFamily, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
        _listen.Bind(ep);
        _listen.Listen(512);
    }

    public void Start()
    {
        Console.WriteLine("Listening on " + _listen.LocalEndPoint);
        StartAccept();
    }

    private void StartAccept()
    {
        var args = new SocketAsyncEventArgs();
        args.Completed += AcceptCompleted;
        bool pending = _listen.AcceptAsync(args);
        if (!pending) AcceptCompleted(this, args);
    }

    private void AcceptCompleted(object? sender, SocketAsyncEventArgs e)
    {
        if (e.SocketError != SocketError.Success || e.AcceptSocket == null)
        {
            e.Dispose();
            StartAccept();
            return;
        }

        var client = e.AcceptSocket;
        e.Dispose();
        StartAccept();

        var recvArgs = new SocketAsyncEventArgs();
        var buffer = new byte[1024];
        recvArgs.SetBuffer(buffer, 0, buffer.Length);
        recvArgs.UserToken = client;
        recvArgs.Completed += IOCompleted;

        StartReceive(recvArgs);
    }

    private void StartReceive(SocketAsyncEventArgs e)
    {
        var client = (Socket)e.UserToken!;
        bool pending = client.ReceiveAsync(e);
        if (!pending) IOCompleted(this, e);
    }

    private void IOCompleted(object? sender, SocketAsyncEventArgs e)
    {
        var client = (Socket)e.UserToken!;
        if (e.LastOperation == SocketAsyncOperation.Receive)
        {
            if (e.BytesTransferred <= 0 || e.SocketError != SocketError.Success)
            {
                Cleanup(client, e);
                return;
            }
            e.SetBuffer(0, e.BytesTransferred);
            e.Completed -= IOCompleted;
            e.Completed += SendCompleted;
            bool pending = client.SendAsync(e);
            if (!pending) SendCompleted(this, e);
        }
        else
        {
            Cleanup(client, e);
        }
    }

    private void SendCompleted(object? sender, SocketAsyncEventArgs e)
    {
        var client = (Socket)e.UserToken!;
        if (e.SocketError != SocketError.Success)
        {
            Cleanup(client, e);
            return;
        }
        e.Completed -= SendCompleted;
        e.Completed += IOCompleted;
        e.SetBuffer(0, e.Buffer!.Length);
        StartReceive(e);
    }

    private void Cleanup(Socket client, SocketAsyncEventArgs e)
    {
        try { client.Shutdown(SocketShutdown.Both); } catch { }
        try { client.Close(); } catch { }
        e.Dispose();
    }

    public static void Main()
    {
        var server = new SaeaEchoServer(new IPEndPoint(IPAddress.Any, 8080));
        server.Start();
        Console.WriteLine("Press Ctrl+C to exit.");
        System.Threading.Thread.Sleep(System.Threading.Timeout.Infinite);
    }
}

ビルドと実行（PowerShell／cmd）:

dotnet new console -n SaeaEcho
cd SaeaEcho
# Program.cs に上記コードを貼り付け
dotnet run

動作確認:

telnet localhost 8080

複数のクライアントから同時接続しても効率よく動作します（IOCPによる完了通知モデル）。

3. Linux epoll──I/O多重化の礎

epoll は Linux における I/O 多重化の中核です。モデルは readiness-based（「I/Oが可能になったら通知」）。
アプリ側は通知を受けてから read() / write() を実行します。

概念整理

• epoll_create1 で監視オブジェクトを作成
• epoll_ctl(ADD/MOD/DEL) で監視対象FDを登録・更新・削除
• epoll_wait でイベント待機
• 既定は レベルトリガ（LT）。エッジトリガ（ET） を使う場合は非ブロッキングFDとループ読みが必須

サンプル：レベルトリガのEchoサーバ（簡潔版）

ファイル名: epoll_echo.c

#include <sys/epoll.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

static int set_nonblock(int fd) {
    int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
    return fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
}

int main() {
    int server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    int opt = 1;
    setsockopt(server, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

    struct sockaddr_in addr = {0};
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(8080);
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    bind(server, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    listen(server, SOMAXCONN);
    set_nonblock(server);

    int epfd = epoll_create1(0);
    struct epoll_event ev = { .events = EPOLLIN, .data.fd = server };
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, server, &ev);

    struct epoll_event events[64];
    printf("epoll echo on :8080
");

    while (1) {
        int n = epoll_wait(epfd, events, 64, -1);
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            int fd = events[i].data.fd;
            if (fd == server) {
                // 複数同時acceptに対応（ノンブロッキングのためループ）
                while (1) {
                    int client = accept(server, NULL, NULL);
                    if (client < 0) {
                        if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) break;
                        perror("accept");
                        break;
                    }
                    set_nonblock(client);
                    struct epoll_event cev = { .events = EPOLLIN, .data.fd = client };
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, client, &cev);
                }
            } else {
                // 読み取り
                char buf[4096];
                while (1) {
                    ssize_t r = read(fd, buf, sizeof(buf));
                    if (r == 0) { close(fd); break; }      // 切断
                    if (r < 0) {
                        if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) break; // もう読むものがない
                        perror("read"); close(fd); break;
                    }
                    // エコー
                    ssize_t off = 0;
                    while (off < r) {
                        ssize_t w = write(fd, buf + off, r - off);
                        if (w < 0) { perror("write"); close(fd); break; }
                        off += w;
                    }
                }
            }
        }
    }
}

ビルド（Linux, bash）:

gcc -O2 -Wall -o epoll_echo epoll_echo.c

実行:

./epoll_echo

テスト:

nc localhost 8080
# 入力がそのまま返れば成功（複数端末から同時接続で確認）

ET（エッジトリガ）利用の注意

• EPOLLET を使う場合は 必ず非ブロッキング にして、read() を EAGAIN になるまでループ すること。
• 書き込みも同様に EAGAIN を考慮して送信キューを用意するのが実用的です。

4. Linux io_uring──epollの限界を超える新世代I/O

io_uring は Linux 5.1 以降で導入された completion-based モデルです。
ユーザー空間とカーネル空間で Submission Queue（SQ） と Completion Queue（CQ） を共有し、システムコール回数・コピーを最小化します。

4.1 基本サンプル：ファイル読み取り

ファイル名: io_uring_read.c

#include <liburing.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    struct io_uring ring;
    io_uring_queue_init(8, &ring, 0);

    int fd = open("data.txt", O_RDONLY);
    if (fd < 0) { perror("open"); return 1; }

    char buf[1024];
    struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(&ring);
    io_uring_prep_read(sqe, fd, buf, sizeof(buf), 0);
    io_uring_submit(&ring);

    struct io_uring_cqe *cqe;
    io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);

    if (cqe->res < 0) {
        fprintf(stderr, "read failed: %d
", cqe->res);
    } else {
        printf("Read %d bytes: %.*s
", cqe->res, cqe->res, buf);
    }

    io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);
    close(fd);
    io_uring_queue_exit(&ring);
    return 0;
}

依存パッケージ（Ubuntu/Debian）:

sudo apt update && sudo apt install -y liburing-dev

ビルド:

gcc -O2 -Wall -o io_uring_read io_uring_read.c -luring

実行:

echo "Hello io_uring" > data.txt
./io_uring_read

4.2 最小ネットワーク例：1回のaccept→recv→send

io_uring でもソケット I/O を扱えます。以下は最小構成で、1クライアントに対して1回だけ受信・送信を行う例です（学習目的）。

ファイル名: io_uring_socket_echo_min.c

#include <liburing.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    int listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    int opt = 1;
    setsockopt(listen_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

    struct sockaddr_in addr = {0};
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(8080);
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    listen(listen_fd, SOMAXCONN);

    struct io_uring ring;
    io_uring_queue_init(64, &ring, 0);

    // 1) accept を投げる
    struct sockaddr_in caddr;
    socklen_t caddr_len = sizeof(caddr);
    struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(&ring);
    io_uring_prep_accept(sqe, listen_fd, (struct sockaddr*)&caddr, &caddr_len, 0);
    io_uring_submit(&ring);

    // 2) accept 完了を待つ
    struct io_uring_cqe *cqe;
    io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);
    int client_fd = cqe->res;
    io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);
    if (client_fd < 0) { fprintf(stderr, "accept failed: %d
", client_fd); return 1; }

    // 3) 受信を投げる
    char buf[1024];
    sqe = io_uring_get_sqe(&ring);
    io_uring_prep_recv(sqe, client_fd, buf, sizeof(buf), 0);
    io_uring_submit(&ring);

    io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);
    int n = cqe->res;
    io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);
    if (n <= 0) { close(client_fd); io_uring_queue_exit(&ring); return 0; }

    // 4) 受け取ったデータをそのまま送信
    sqe = io_uring_get_sqe(&ring);
    io_uring_prep_send(sqe, client_fd, buf, n, 0);
    io_uring_submit(&ring);

    io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);
    io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);

    close(client_fd);
    io_uring_queue_exit(&ring);
    close(listen_fd);
    return 0;
}

ビルド:

gcc -O2 -Wall -o io_uring_socket_echo_min io_uring_socket_echo_min.c -luring

実行・テスト:

./io_uring_socket_echo_min &
sleep 1
printf "hello
" | nc localhost 8080

注意: 上記は学習用の極小サンプルです。実運用では、複数の同時接続・複数回の send/recv を扱うために、複数のSQE/CQE管理やユーザデータ（sqe->user_data）による状態管理、送信キュー、エラー処理の強化が必要です。

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5. epoll と io_uring の比較

観点	epoll	io_uring
モデル	Readiness-based（I/O可能通知）	Completion-based（I/O完了通知）
システムコール回数	多め（wait→read/write）	少なめ（バッチ送信・共有リング）
データコピー	ユーザー空間とカーネル間で発生	共有リングにより最小化
主な適用	ソケットI/O中心	ファイル・ソケットを統一的に扱う
導入時期	Linux 2.5	Linux 5.1
学習/実装の難易度	低〜中	中〜高

io_uring は IOCP に近い完了通知モデルで、C# の async/await との親和性が高い一方、運用では監視・セキュリティ設定（コンテナの seccomp 等）にも配慮が必要です。

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6. .NETランタイムとOSの接続点（再掲）

C# の await は .NET ランタイムを経由して、Windows では IOCP、Linux では epoll（将来的に io_uring）を使用します。
アプリケーションは同じ C# コードで運用でき、OSごとの非同期I/O機構の違いはランタイムが吸収します。

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補足：環境とビルドトラブル対処（Linux）

• io_uring は Linux 5.1 以上が前提。uname -r で確認
• Ubuntu/Debian 系でヘッダ未検出エラーが出たら sudo apt install liburing-dev
• ビルド時に -luring の付け忘れに注意
• コンテナでは seccomp が io_uring 系システムコールをブロックする場合があるため、実行ポリシーを見直す

まとめ

• Windows では C# の async/await が IOCP ベースの完了通知モデルを活用し、少数スレッドで多接続を処理可能。
• Linux では epoll（readiness）と io_uring（completion）があり、後者はより低オーバーヘッドで将来性が高い。
• C# アプリは OS 差異を意識せず同じコードで非同期I/Oを享受でき、ランタイムが最適なI/O戦略を選択する。