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@kurikara_raaa(倶利伽羅らら)

C#の非同期処理を理解したい

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「asyncとかawait使うやつ」「UIスレッドが固まらなくなるやつ」程度のゴミ理解を脱却したい

スレッド

例えば、ネットワークからデータを受信するとき、じかんがかかると「応答なし」の状態になり、UIの操作を受け付けなくなります。そこで、イベントを待機するために別のスレッドを使用します。

スレッドを使わない場合

DoLongWork();
Console.WriteLine("Long Work Done");

while (true)
{
    Thread.Sleep(500);
    Console.WriteLine("Hello");
}

void DoLongWork()
{
    Thread.Sleep(2000);
}

長い処理をThread.Sleep(2000)(=2秒間待つ)としてみます。結果はこのようになりました。

Long Work Done
Hello
Hello
Hello
Hello
Hello

長い処理が終わってからfor分のループに入ってます。

スレッドの作成＆開始

var t = new Thread(DoLongWork);
t.Start();

while (true)
{
    Thread.Sleep(500);
    Console.WriteLine("Hello");
}

void DoLongWork()
{
    Thread.Sleep(2000);
    Console.WriteLine("Done");
}

一行目のThreadのコンストラクタはThreadStartデリゲートのインスタンスを引数にとります。よほど古いバージョンのC#でなければ、このように省略表記できます。
結果はこのようになりました。

Hello
Hello
Hello
Done
Hello
Hello
Hello

長い処理が別スレッドで行われたと分かります。

Task

.NET Framework 4.0で導入された機能です。

Task.Run(DoLongWork);

while (true)
{
    Thread.Sleep(500);
    Console.WriteLine("Hello");
}

//長い処理
void DoLongWork()
{
    Thread.Sleep(2000);
    Console.WriteLine("Done");
}

このコードに対して結果はこのようになりました。

Hello
Hello
Hello
Done
Hello

長い処理とfor文のループが並列して行われています。しかし、何か警告が出ています。image.png
この警告は「長い処理中にエラーが出たらとらえようが無いよ」とうい意味だそうです。
そこで、

var _ = Task.Run(DoLongWork)
    .ContinueWith(x =>
    {
        if (x.IsFaulted)
        {
            //失敗した場合の処理
        }
    });

このように書いて、「長い処理の終了を待たない」ということを明確にする必要があります。(_は廃棄という意味)

asyncとawait

双子の名前みたい。英単語的にはasync=asynchronous,非同期、await=wait,待つという意味になります。こんなコードを実行してみます。1

await Task.Run(DoLongWork);

while (true)
{
    Thread.Sleep(500);
    Console.WriteLine("Hello");
}

//長い処理
void DoLongWork()
{
    Thread.Sleep(2000);
    Console.WriteLine("Done");
}
結果
Done
Hello
Hello

英単語通り、長い処理を「待ち」ました。
いちいちTask.Runと書かなくてもいいように、DoLongWork事態を非同期メソッドにしてみます。

await DoLongWork();

while (true)
{
    Thread.Sleep(500);
    Console.WriteLine("Hello");
}

//長い処理
async Task DoLongWork()
{
    await Task.Run(() => Thread.Sleep(2000));
    Console.WriteLine("Done");
}
結果
Done
Hello
Hello

結果は一緒ですね。「待たない」ときはawaitをのけたらいいです。

複数スレッドで共通のオブジェクト/リソースを扱う

例えば、あるうどん屋のトイレ(共通のオブジェクト/リソース)が1個だけあることを考えます。もしある人(あるスレッド)が鍵をかけずに使った場合、ほかの人(ほかのスレッド)が入ってきて良くないかと思います。
次のコードを考えてみます。

//共通のオブジェクト/リソース
var count = 0;

await DoTest();
Console.WriteLine(count);

async Task DoTest()
{
    var t1 = Task.Run(Increment);//鍵をかけずに用を足してる人
    var t2 = Task.Run(Increment);//鍵がかかってないトイレに入った人
    await Task.WhenAll(t1,t2);//両方が終了するまで待つ
}

void Increment()
{
    for(var i = 0; i < 100000; i++)
    {
        count++;
    }
}
結果
134346
//200000じゃないの!?

おかしな結果になりました。
これはあるスレッドがほかのスレッドの処理の完了を待たずに、countを操作したのが原因です。

対処としてlockステートメントを使います。「ステートメント」はtry-catchなどと同じ立ち位置のものです。
lockステートメントの役割については参考文献[1]より引用します。（あんま理解できてない）

ロックとは、コードをクリティカルセクションとしてマーキングすることです。これによりオブジェクトがロックされて、同期処理を行うことができるようになります。lock宣言により、ロック用のオブジェクトにロックのリクエストが出されて、続く実行文あるいはステートメントブロックの処理を行います。ステートメントブロックが終了するとロックは解除されます。

var count = 0;
var _lockObj = new object();//鍵の役割

await DoTest();
Console.WriteLine(count);

async Task DoTest()
{
    var t1 = Task.Run(Increment);
    var t2 = Task.Run(Increment);
    await Task.WhenAll(t1,t2);
}

void Increment()
{
    for(var i = 0; i < 100000; i++)
    {
        lock(_lockObj){
            count++;   
        }
    }
}
結果
200000

GUIを持つ場合で気を付けること

例えばWindowsFormsで、label1がLabelコントロールだとします。

Form1.cs
private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    label1.Text = "";
    var t = new Thread(DoLongWork);
    t.Start();
}

void DoLongWork()
{
    Thread.Sleep(2000);
    label1.Text = "Done";
}

ボタンを押して2秒待つと、、、

System.InvalidOperationException: '有効ではないスレッド間の操作: コントロールが作成されたスレッド以外のスレッドからコントロール 'label1' がアクセスされました。'

GUIは必ずメインスレッドから操作しないといけないそうです。Controlクラスが持つInvokeメソッドを使います。

Form1.cs
private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    label1.Text = "";
    var t = new Thread(DoLongWork);
    t.Start();
}

void DoLongWork()
{
    Thread.Sleep(2000);
    this.Invoke(() => label1.Text = "Done");
}

参考

[1] プログラミングC# 第5版
[2] C#プログラミングのイディオム/定石&パターン
[3] https://learn.microsoft.com/ja-jp/dotnet/csharp/tutorials/top-level-statements
[4] https://qiita.com/acple@github/items/8f63aacb13de9954c5da

  1. Main関数を使わずに、最上位ステートメントを用いて「いきなり」処理を書いても、asyncを持ちTaskを返すMain関数に相当する動きをするそうです。 ↩

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