[非同期処理、スレッド]:Gushwell's Dev Notes

.NET Framework4.5 での非同期I/O処理事始め

この記事は、C# Advent Calender 2012 http://atnd.org/events/33905 への参加記事です。
今年もC# Advent Calender が開始されました。

なかなか書くネタが見つからず、参加しようかどうか悩んでいるうちに、気が付いたら、空いている日が、
初日の 12/1 と最終日の 12/25 の２日だけになってました。さすがに最終日はプレッシャーがかかると
思ったので、初日である 12/1 にエントリーさせてもらいました。

さて、お題は、「.NET Framework4.5 での非同期I/O処理事始め」です。
既に多くの方がブログで async, awaitの記事を書いているので、２番煎じ、３番煎じの感は
否めませんが、まあ、このC# Advent Calenderは、ゆるいイベントということなので、大目
に見てください(^^;

さて、ここからが本題です。

.NET Framework4.5から、非同期IOをサポートする新しいasync系メソッドが追加されています。
これにより、従来よりもより簡単に非同期IO処理が書けるようになりました。

■.NET Framework4.0 以前の非同期I/O処理

まずは、.NET Framework4.0 以前はどうだったかを振り返ってみましょう。
これまでの Streamクラスには、BeginRead, EndRead といった非同期IOをサポートするメソッドが
用意されていました。
従来の非同期IOの簡単なサンプルを以下に示します。
このコードは、Sample.txtファイルを非同期IOで読み込み、TextBox にその内容を表示しています。

※ 今回は、WindowsFormsを使いましたが、WPFでもなんら変わることはありません。

ファイルのサイズが小さければ、こんな面倒なコードを書かずに、File.ReadAllTextで一気に
読み込んでしまって良いと思いますが、巨大なファイルの場合は、UIがフリーズするのを防止できません。
UIのフリーズを防止するには、スレッドを起動するとか、BackgroundWorkerクラスを利用するとか、Taskを使うとか、
いろいろと方法はありますが、同期処理に比べると面倒です。

それと、上記のコードは、テキストファイルを扱うのに、ReadLine系のメソッドを使えないため、byte配列に
読み込んでいて、いまいち感がぬぐえません。

■.NET Framework4.5 での非同期I/O処理

では、C#5.0 + .NET Framework4.5ではどうなるかを見てみましょう。

上記コードの注目点は、以下の４点です。

1. メソッドに、async キーワードが付いている。
2. ReadLineAsync() という非同期IOメソッドを使っている。
3. この非同期IOメソッドに、await キーワードをつけている。
4. 同期処理のように、UIへのアクセスを普通に行っている。

メソッドに、await キーワードを使う場合には、必ずメソッドにasync キーワードをつける必要があります。
そして、await を使うことで、非同期処理をあたかも同期処理のように書くことが
可能になります。
いやー、これはほんとうに便利ですね。

■IProgressによるロジックとUIの分離

でも、ファイルIO処理の中で、UIにアクセスするコードを書くのは嫌だ！と思う人も多いと思います。
大丈夫です。.NET Framework4.5では、そういった要求にも簡単にこたえることができます。
コードを示します。

ReadTextDataメソッドの引数に、Progress オブジェクトを渡しています。
このProgress のコンストラクタの引数に、コールバックされるラムダ式を記述します。
ここで、UI処理を書くわけですね。
ReadTextData メソッドの中では、progress.Report(s) と、Reportメソッドを呼び出しています。
このタイミングで、先ほどのコールバックが呼び出されることになります。
これで、ReadTextDataメソッドは、完全にUIとは分離されたので、Formクラスに書く必要もなくなりましたね。

Write系のコードも載せようと思ったのですが、まあ、上記とほとんど同じ感覚で書けるので、
あえて載せる必要もないでしょう。

Posted by gushwell at 10:30 │Comments(0) │TrackBack(0)

ThreadStatic

staticフィールドは、複数のスレッドで共有されるので、
スレッド間で情報を共有する際に利用できますが、
スレッド毎に独立したstaticフィールドを持ちたい場合があります。

そんな時に、フィールドに ThreadStatic属性を使います。
しばらくぶりに、このThreadStatic属性を使いました。
あまりにもしばらくぶりだったので、その存在自体忘れてました(^^;

Posted by gushwell at 14:41 │Comments(0) │TrackBack(0)

BackgroundWorkerのサンプルコード(4)

BackgroundWorkerのサンプルコード(1)
BackgroundWorkerのサンプルコード(2)
BackgroundWorkerのサンプルコード(3)

BackgroundWorkerのサンプルコード(3)で掲載したコードとほとんど同じだけど、バックグラウンド処理の結果を受け取れるようにしました。
終了していないのに、結果を取得しようとした場合は、終了するまで待つようにしてあります。
ついでにExecuteメソッドでは、引数を渡せるようにしてあります。
同期するために利用していたManualResetEventですが、代わりにAutoResetEventを使ってみました。

class Program {
    static void Main(string[] args) {
        MyWorker worker1 = new MyWorker("Hoo");
        Console.WriteLine("Hoo 開始");
        worker1.Execute(150);
        MyWorker worker2 = new MyWorker("Bar");
        Console.WriteLine("Bar 開始");
        worker2.Execute(7);

Console.WriteLine("Hoo " + worker1.Result.ToString());
        Console.WriteLine("Bar " + worker2.Result.ToString());
        Console.ReadLine();
    }
}

class MyWorker {
    private BackgroundWorker _worker = new BackgroundWorker();
    private string _name;
    private AutoResetEvent _are = new AutoResetEvent(false);
    private long _result;

public MyWorker(string name) {
        _worker.DoWork += new DoWorkEventHandler(worker_DoWork);
        _worker.RunWorkerCompleted += new RunWorkerCompletedEventHandler(worker_RunWorkerCompleted);
        this._name = name;
    }

public void Execute(int n) {
        _worker.RunWorkerAsync(n);
    }

public void Join() {
        _are.WaitOne();
        _are.Set();
    }

public long Result {
        get {
            _are.WaitOne();
            _are.Set();
            return this._result;
        }
    }

private void worker_RunWorkerCompleted(object sender, RunWorkerCompletedEventArgs e) {
        if ( !e.Cancelled && e.Error == null ) {
            this._result = (long)e.Result;
        }
        Console.WriteLine(_name +  " 終了 ");
        _are.Set();
    }

private void worker_DoWork(object sender, DoWorkEventArgs e) {
        int count = (int)e.Argument;
        long a = 1;
        long b = 1;
        long c = 1;
        for ( int i = 3; i <= count; i++ ) {
            c = a + b;
            a = b;
            b = c; 
        }
        System.Threading.Thread.Sleep(1000);  // デモ用・本来は不要
        e.Result = c;
    }
}

Posted by gushwell at 22:39 │Comments(0) │TrackBack(0)

BackgroundWorkerのサンプルコード(3)

BackgroundWorkerのサンプルコード(1)
BackgroundWorkerのサンプルコード(2)

BackgroundWorkerは、Formが無くたって使えます。
今回のサンプルコードは、ManualResetEventを使って、終了まで待てるようにしています。
クラスMyWorkerをもうちょっと汎用的にしたいところですが、BackgroundWorkerのサンプルを示すことが目的なので、これで良しとします。

このプログラムを実行してみればわかりますが、worker1とworker2がパラレルに実行されているのが確認できます。

class Program {
     static void Main(string[] args) {
         MyWorker worker1 = new MyWorker("Hoo");
         worker1.Execute();
         MyWorker worker2 = new MyWorker("Bar");
         worker2.Execute();
         worker1.Join();
         worker2.Join();
         Console.Write("終了 ");
     }
 }

class MyWorker {
     private BackgroundWorker worker = new BackgroundWorker();
     private string name;
     private object lockObject = new object();
     ManualResetEvent mre = new ManualResetEvent(false);

public MyWorker(string name) {
         worker.DoWork += new DoWorkEventHandler(worker_DoWork);
         this.name = name;
     }

public void Execute() {
         worker.RunWorkerAsync();
     }

public void Join() {
         mre.WaitOne();
     }

private static System.Random rnd = new Random();

private void worker_DoWork(object sender, DoWorkEventArgs e) {
         mre.Reset();
         for ( int i = 0; i < 50; i++ ) {
             Console.Write(name + i.ToString() + "\n");
             System.Threading.Thread.Sleep(rnd.Next(1,100));
         }
         mre.Set();
     }
 }

Posted by gushwell at 22:54 │Comments(0) │TrackBack(0)

BackgroundWorkerのサンプルコード(2)

BackgroundWorkerのサンプルコード(1)

今度は、処理の進行状況をプログレスバーで表示する例です。
途中で、処理をキャンセルする例にもなっています。

Form1のボタンをクリックすると、Form2が開き、処理を開始します。
処理の進行状況は、プログレスバーで表示され、処理が終わると自動的にForm2が閉じるというものです。
Form2には、キャンセルボタンが配置されていて、キャンセルボタンを押すと処理を中止します。

public partial class Form2 : Form {
     public Form2() {
         InitializeComponent();
     }
 
     BackgroundWorker _bw = new BackgroundWorker();
 
     private void Form2_Load(object sender, EventArgs e) {
         _bw.DoWork += new DoWorkEventHandler(_bw_DoWork);
         _bw.ProgressChanged += new ProgressChangedEventHandler(_bw_ProgressChanged);
         _bw.RunWorkerCompleted += new RunWorkerCompletedEventHandler(_bw_RunWorkerCompleted);
         _bw.WorkerSupportsCancellation = true;  // キャンセルを可能にする
         _bw.WorkerReportsProgress = true;
         _bw.RunWorkerAsync();
         progressBar1.Maximum = 90;
     }
 
     private void Form2_Shown(object sender, EventArgs e) {
         _bw.WorkerSupportsCancellation = true;
     }
 
     private void cancelButton_Click(object sender, EventArgs e) {
         _bw.CancelAsync();
         this.DialogResult = DialogResult.Cancel;
     }
 
     void _bw_DoWork(object sender, DoWorkEventArgs e) {
         // 素直に100%まで処理をし、ProgressBarに表示すると、
         // この例では、プログレスバーが100%に行かずに
         // フォームが閉じたように見える。
         // ここでは、そのため小手先の対応をしている。
         for (int i = 1; i <= 100; i++) {
             if (_bw.CancellationPending) {
                 e.Cancel = true;
                 return;
             }
             _bw.ReportProgress(Math.Min(i,progressBar1.Maximum), null);
             System.Threading.Thread.Sleep(50);
         }
     }
 
     void _bw_ProgressChanged(object sender, ProgressChangedEventArgs e) {
         progressBar1.Value = e.ProgressPercentage;
     }
 
     void _bw_RunWorkerCompleted(object sender, RunWorkerCompletedEventArgs e) { 
         this.DialogResult = DialogResult.OK;
     }
 }

Posted by gushwell at 23:29 │Comments(0) │TrackBack(0)

BackgroundWorkerのサンプルコード(1)

BackgroundWorkerで検索して、このブログに来ている人が結構いるようなので、何回かに分けて、BackgroundWorkerを使ったサンプルを載せたいと思います。

まずは、バックグラウンド処理で得られたデータをListBoxに順に表示する例です。
ついでに、ListBoxの自動スクロールもやってます。

当然、ListBoxに項目を追加している間でも、ListBoxの操作（選択など）が可能です。

public partial class Form1 : Form {
     
     private BackgroundWorker worker = new BackgroundWorker();
  
     public Form1() {
         InitializeComponent();
         worker.DoWork += worker_DoWork;
         worker.ProgressChanged += worker_ProgressChanged;
         worker.RunWorkerCompleted += worker_RunWorkerCompleted;
         worker.WorkerReportsProgress = true;
     }
  
     private void button1_Click(object sender, EventArgs e) {
         this.worker.RunWorkerAsync();
     }
  
     private void worker_DoWork(object sender, DoWorkEventArgs e) {
         BackgroundWorker bw = (BackgroundWorker)sender;
         // ここで時間のかかる処理
         for ( int i = 0; i < 40; i++ ) {
             System.Threading.Thread.Sleep(100);
             // 処理をするたびに、ReportProgressを呼び出す。ProgressChangedイベントが発行される
             bw.ReportProgress(0, i);
         }
     }
  
     void worker_RunWorkerCompleted(object sender, RunWorkerCompletedEventArgs e) {
         label1.Text = "終了しました";
     }
  
     private void worker_ProgressChanged(object sender, ProgressChangedEventArgs e) {
         int i = (int)e.UserState;
         listBox1.Items.Add("Item " + i.ToString());
         listBox1.TopIndex = listBox1.Items.Count - listBox1.Height / listBox1.ItemHeight;
     }
  
     private void listBox1_SelectedIndexChanged(object sender, EventArgs e) {
         ListBox lb = (ListBox)sender;
         if (lb.SelectedItem != null)
             label1.Text = lb.SelectedItem.ToString();
     }
 }

Posted by gushwell at 23:53 │Comments(0) │TrackBack(0)