C#の遅延実行の基本

はじめに

遅延実行とは
プログラムの処理をすぐには実行せず、結果が必要になるまで「後回し」にする仕組み
どういうタイミングで実行されているのか、イメージしづらかったため、記事に起こして整理していく

なぜ知っておくべか

メモリ効率の向上
大量のデータを扱う場合、すべてのデータを一度にメモリは読み込む必要がなくなり、必要な分だけ処理するため、メモリ使用量を抑えることができる

パフォーマンスの最適化
必要のない処理をスキップできる
例えば、最初の10件だけ必要な場合取得して、残りのデータは処理しないとか

遅延実行と即時実行

C#のLINQには今すぐ実行される「即時実行」と後から実行される「遅延実行」の2つのパターンが存在する

遅延実行

以下コードは遅延実行を使ったサンプルの実装
任意の配列で作られた数字がある
Where()を使って、偶数を取得して、それを表示させるというプログラム
Where()ではただ、「偶数を取り出す」という計画を作っただけで、実際の処理はforeachで使うときに実行される

test.cs

var numbers = new int[] { 1, 2, 3, 4, 5 };

var evenNumbers = numbers.Where(n => n % 2 == 0);

// この時点ではまだ、フィルタリングは実行されていない

// フィルタリングが実行される
foreach (var number in evenNumbers)
{
    Console.WriteLine(number);
}

即時実行

ToList()をつけることで、フィルタリングされたものがすぐに実行され、反映される

test.cs

// 即時実行
var evenNumberList = numbers.Where(n => n % 2 == 0).ToList();

foreach (var number in evenNumberList)
{
    Console.WriteLine(number);
}

遅延実行の仕組み

裏側ではC#の「イテレータ」という機能使われている

test.cs

public static IEnumerable<int> GetEvenNumbers(int[] numbers)
{
    foreach (var n in numbers)
    {
        if (n % 2 == 0)
            yield return n; 
    }
}

このyield returnが遅延実行の鍵となる
foreachなどで値が要求されるたびに、次の条件に合う値を1つずつ返す
全ての値を一度に処理して配列を作るのではなく、必要なときに必要な分だけ処理する

実際に動きを確認出来る例

test.cs

// 遅延実行の様子を視覚的に確認
var numbers = new[] { 1, 2, 3, 4, 5 };

Console.WriteLine("クエリ作成");
var query = numbers.Where(n => {
    Console.WriteLine($"Where: {n}を処理中");
    return n % 2 == 0;
});

Console.WriteLine("foreach開始");
foreach (var item in query)
{
    Console.WriteLine($"結果: {item}");
}

結果

クエリ作成
foreach開始
Where: 1を処理中
Where: 2を処理中
結果: 2
Where: 3を処理中
Where: 4を処理中
結果: 4
Where: 5を処理中

Whereの処理がforeachの中で行われており、遅延実行がされていることが確認できる

どういうケースで遅延実行を使うのか

1. 大量データを扱う場合
2. I/O操作（ファイルなど）の効率化

どういう点を気をつけるべき

副作用
後から何か書き換えたりすることがある処理については、想定外の結果になるので気をつける

test.cs

// 危険な例
int counter = 0;
var query = numbers.Select(n => counter++); // counterは後で増加

counter = 100; // ここでcounterを変更

// 実行されるのはここ - counterは100から始まる！
foreach (var item in query)
{
    Console.WriteLine(item); // 想定外の結果になる
}

まとめ

遅延実行は「今すぐやる」というよりも、「必要になった時必要な分だけやる」という考え方
何も考えずにLINQを使っていると、思わぬところで想定外のことが起きるかもしれない
遅延実行を使った方がいいケース以外の時は、ToList()などを使って即時実行してた方が安全だと思った