LoginSignup
7
6

More than 5 years have passed since last update.

@takutoy

MCP 70-483 Programming in C# のお勉強 「1-1 マルチスレッド処理と非同期処理を実装する」

Last updated at Posted at 2017-07-14

MCP試験 70-483 Programming in C# の学習材料。

目次はこちら

1-1 マルチスレッド処理と非同期処理を実装する

CPUを有効活用してレスポンスタイムやスループットを改善するための仕組み。

スレッド：System.Threading.Thread

生のスレッドを作る。

public static void Main()
{
    Thread thread = new Thread(() =>
    {
        // とても(重い|長い)処理
    });

    // スレッドを開始
    thread.Start();

    // スレッドの完了を待つ
    thread.Join();
}

スレッドプール：System.Threading.ThreadPool

生のスレッドの生成と破棄はコストが大きい。スレッドプールは予め用意されたスレッドを利用・再利用する仕組み。

public static void Main()
{
    ThreadPool.QueueUserWorkItem((state) =>
    {
        Console.WriteLine("とても(重い|長い)処理");
    });
}

終了を待ちたいときはシグナル(Auto/ManualResetEvent)を使う。

public static void Main()
{
    ManualResetEventSlim ev = new ManualResetEventSlim();
    ThreadPool.QueueUserWorkItem((state) =>
    {
        Console.WriteLine("とても(重い|長い)処理");
        ev.Set();
    });

    ev.Wait();
    Console.WriteLine("とても(重い|長い)処理が終わった");
}

パフォーマンス検証：スレッド vs スレッドプール

検証コード

static int tryCount = 10000;

public static void Main()
{
    Stopwatch sw;

    sw = Stopwatch.StartNew();
    RunCreateThread();
    Console.WriteLine($"スレッド: {sw.ElapsedMilliseconds} millisecs.");

    sw = Stopwatch.StartNew();
    RunThreadPool();
    Console.WriteLine($"スレッドプール: {sw.ElapsedMilliseconds} millisecs.");
}

// スレッドを自前で生成して使う
static void RunCreateThread()
{
    for (int i = 0; i < tryCount; i++)
    {
        Thread t = new Thread(() => { });
        t.Start();
        t.Join();
    }
}

// スレッドプールを使う
static void RunThreadPool()
{
    for (int i = 0; i < tryCount; i++)
    {
        ManualResetEventSlim ev = new ManualResetEventSlim();
        ThreadPool.QueueUserWorkItem((state) =>
        {
            ev.Set();
        });
        ev.Wait();
    }
}

検証結果

スレッド: 1583 millisecs.
スレッドプール: 17 millisecs.

スレッドを何回も使用する場合は、スレッドプールを使う方が何倍も速い。

Parallel：System.Threading.Tasks.Parallel

お手軽並列処理。Parallel.Invoke(), Parallel.For(), Parallel.ForEach() が使える。

public static void Main()
{
    Console.WriteLine("Parallel.Invoke()");
    Parallel.Invoke(
        () => { Console.WriteLine("100000007 is prime number? " + IsPrime(100000007)); },
        () => { Console.WriteLine("100000009 is prime number? " + IsPrime(100000009)); }
    );

    Console.WriteLine("Parallel.For()");
    Parallel.For(100000005, 100000010, (i) =>
    {
        Console.WriteLine($"{i} is prime number? " + IsPrime(i)); 
    });

    Console.WriteLine("Parallel.ForEach()");
    int[] nums = new int[] { 100000006, 100000007, 100000008, 100000009 };
    Parallel.ForEach(nums, (i) =>
    {
        Console.WriteLine($"{i} is prime number? " + IsPrime(i));
    });
}

static bool IsPrime(int n)
{
    for (int i = 2; i < n; i++)
    {
        if (n % i == 0) return false;
    }
    return true;
}

PLINQ：System.Linq.ParallelEnumerable

お手軽並列LINQ。ParallelとPLINQをTPL

public static void Main()
{
    // ParallelEnumerable を使う方法
    var primeNums = ParallelEnumerable.Range(100_000_000, 100)
                        .Where(IsPrime)
                        .ToArray();

    // AsParallel() を使う方法
    var primeNums2 = Enumerable.Range(100_000_000, 100)
                        .AsParallel()
                        .Where(IsPrime)
                        .ToArray();

    // ParallelEnumerable/AsParallel は基本的に順序を保証しないが、
    // AsOrdered() すると順序を保ってくれる。
    var primeNums3 = Enumerable.Range(100_000_000, 100)
                        .AsParallel()
                        .AsOrdered()
                        .Where(IsPrime)
                        .ToArray();

    foreach (var n in primeNums3)
    {
        Console.WriteLine(n);
    }
}

static bool IsPrime(int n)
{
    for (int i = 2; i < n; i++)
    {
        if (n % i == 0) return false;
    }
    return true;
}

UIスレッドをブロックしない

UIスレッドをブロックするボタンクリックイベントハンドラ

// www.microsoft.com の応答が遅いとUI応答が停止する（ウィンドウが固まるアレ）。
// これは画面を描画するスレッド（UIスレッドと言う）がダウンロード処理に占有されてしまうため。
private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    WebClient wc = new WebClient();
    string html = wc.DownloadString("http://www.microsoft.com/");
    textBox1.Text = html;
}

UIスレッドをブロックしないボタンクリックイベントハンドラ

// www.microsoft.com の応答が遅くてもウィンドウが固まらない。
// Task(async/await) を使うとダウンロード処理をUIスレッドではない別のスレッドで実行してくれる。
private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    WebClient wc = new WebClient();

    // WebClient.DownloadStringTaskAsync() の戻り値の型は Task<string>
    // await キーワードを付けると Task の完了を待つと同時に string 型に変換してくれる。
    // Task の完了を待っている間、UIスレッドはブロックされない（ウィンドウは固まらない）。
    string html = await wc.DownloadStringTaskAsync("http://www.microsoft.com/");
    textBox1.Text = html;
}

ポイント：
- メソッドに async キーワードを付ける (付けないと await キーワードが使えない)
- 非同期IOメソッドに await キーワードを付ける (付けると、Task<string> ⇒ string )

Task：System.Threading.Tasks.Task

Task.Run() を使ってお手軽 Task 開始

private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    // テキストボックスに入力された数値が素数かどうかを表示する。
    // 入力された数値が非常に大きい場合、
    // 計算に時間がかかりUIスレッドがブロックされてしまうので
    // Task.Run()を使って別スレッドに処理させる。
    bool isPrime = await Task.Run(() =>
    {
        long n = Int64.Parse(textBox1.Text);
        for (long i = 2; i < n; i++)
        {
            if (n % i == 0) return false;
        }
        return true;
    });

    textBox2.Text = isPrime ? "素数だね" : "素数じゃない";
}

Task.ContinueWith() を使って複数の Task を継続して実行させる。

private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    // ダウンロードしたWebコンテンツからリンクURLを抜き出して表示する。
    // ダウンロードとスクレイピングには時間がかかる可能性がある。
    // ダウンロードが終わったらスクレイピング処理を実行させたい。
    Task<string> downloadTask = new WebClient().DownloadStringTaskAsync("https://msdn.microsoft.com/ja-jp/library/dd460693(v=vs.110).aspx");
    Task<string> scrapingTask = downloadTask.ContinueWith(dlTask =>
    {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        foreach (Match m in Regex.Matches(dlTask.Result, "href=\"(.*?)\""))
        {
            sb.AppendLine(m.Groups[1].Value);
        }
        return sb.ToString();
    });

    textBox1.Text = await scrapingTask;
}

ConcurrentCollection：System.Collections.Concurrent.*

スレッドセーフでないオブジェクトに対し、複数のスレッドから同時に書き込もうとすると、内部のデータがおかしな状態になってしまうことがある。これをレース(競合)とか言ったりする。

List<T> はスレッドセーフなデータ構造ではない。

// マルチコアCPUなPCで実行すると毎回結果が変わる不思議なプログラム
public static void Main()
{
    int num = 1000000;

    List<int> oddNumbers = new List<int>();
    Parallel.For(0, num, i =>
    {
        if (i % 2 == 1) oddNumbers.Add(i);
    });
    Console.WriteLine($"List: {num}以下の奇数は{oddNumbers.Count}個です。");
}

ConcurrentBag<T> はスレッドセーフなデータ構造。

// 毎回正確な結果が得られる安全なプログラム。
public static void Main()
{
    int num = 1000000;

    ConcurrentBag<int> oddNumbers = new ConcurrentBag<int>();
    Parallel.For(0, num, i =>
    {
        if (i % 2 == 1) oddNumbers.Add(i);
    });
    Console.WriteLine($"ConcurrentBag: {num}以下の奇数は{oddNumbers.Count}個です。");
}

ConcurrentBag<T>のほか、BlockingCollection<T>, ConcurrentDictionary<TKey, TValue>, ConcurrentQueue<T>, ConcurrentStack<T> などもある。

その他覚えておいた方がよさそうなキーワード

  • TPL, TAP
  • CPU-bound, IO-bound

リソース

Quiz

  1. 要素数10000程度の文字列配列の各文字列のSHA-1ハッシュ値を計算したい。CPUを有効活用しようとするとき、どのAPIを使うのが良いか。

  2. Paralell または PLINQ で実行される同時並列数を制限したい。どうすればよいか。

  3. async キーワードを付けたメソッドの戻り値は、Task, Task<T>, void のいずれかである。ただし void は基本的に避けるべきとされている。なぜ避けるべきか？また void を使うのはどんなときか？

  4. スレッドを何度も使う場合、Thread よりも ThreadPool を使う方がパフォーマンスが良い。そして Thread よりも Task のほうが多機能。では Thread を使うはどんなとき？

  5. 下記のキーワードを整理しろ。

    • スレッド
    • 並列
    • 並行
    • 非同期
7
6
0

Register as a new user and use Qiita more conveniently

  1. You get articles that match your needs
  2. You can efficiently read back useful information
  3. You can use dark theme
What you can do with signing up
Sign upLogin
7
6