C#の高速化入門

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October 09, 24

#C# #高速化 #マルチスレッド #非同期処理 #パフォーマンス最適化

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松井敏

@binnmti

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各ページのテキスト

C#の高速化入門 Write by 森理麟非同期勉強会

Myself 森理麟(@moririring) 職業：ゲームプログラマ HP : moririringのHP ツール : VagrantWin ←NEW! Microsoft MVP for Visual C#(2013.01 –) 2

My Community VSハッカソン倶楽部 + Visual Studio勉強会 C++テンプレート完全ガイド読書会 Unityクリエイターズ IT英語勉強会 ぼちぼちぼっち開発 3

アジェンタ はじめに キーワード説明 プロセス スレッド 同期/非同期 コア 高速化 ターンアラウンドタイム スループット レスポンスタイム おわりに 4

first はじめに 5

僕がC#を始めたのは非同期プログラムを組みたかったからです。はじめに 6

もっとも当時の僕は非同期という言葉は知りませんでした。はじめに 7

動き出してからも止めたい。そのためにはスレッドを使えば良いのかな？でした。はじめに 8

ただあまり詳しくない僕はマルチスレッドは高速化するための手法だと思っていました。はじめに 9

10.

非同期？高速化？マルチスレッド？はじめにこの当たりのキーワードを説明します。  はじめにの方が長い？はじめに 10

11.

Process プロセス 11

12.

プロセスとは実行しているプログラムの単位プロセス 12

13.

実行中のプロセスはタスクマネージャで確認出来るプロセス 13

14.

プロセスは実行に必要なものをまとめて格納するコンテナプロセス 14

15.

プロセスはタスクとかジョブとも言う。タスクマネージャというぐらいなので。プロセス 15

16.

C#プログラマとしては他の実行ファイルを起動する時に Processを使う。超使う。プロセス Process.Start("notepad.exe"); 16

17.

Thread スレッド 17

18.

スレッドとはプロセスの最小の実行単位（因みにThreadは糸のこと）スレッド 18

19.

１つのプロセスが複数のスレッドを持つことが出来る。これをマルチスレッドという。スレッド  引用:++C++; // 未確認飛行 C マルチスレッド (http://ufcpp.net/study/csharp/sp_thread.html) 19

http://ufcpp.net/study/csharp/sp_thread.html

20.

マルチスレッドは同時に処理を実行出来るスレッド  引用:連載.NETマルチスレッド・プログラミング入門 (http://www.atmarkit.co.jp/ait/articles/0503/12/news025.html) 20

http://www.atmarkit.co.jp/ait/articles/0503/12/news025.html

21.

スレッドが集まってプロセスを構成する。プロセスもスレッドの一種。原子と分子、フォルダとファイルのようなニュアンス。スレッド 21

22.

マルチプロセスも同じように同時に実行できるスレッド  引用:組み込み分野における「マルチプロセッサ」とは ―― 多機能・低消費電力の要求にこたえるための技術的要素と課題 (http://www.kumikomi.net/archives/2005/09/15multic.php?page=13) 22

http://www.kumikomi.net/archives/2005/09/15multic.php?page=13

23.

違いはメモリ。プロセス間ではメモリは共有されない。スレッド間では共有される。スレッド  引用:連載.NETマルチスレッド・プログラミング入門 (http://www.atmarkit.co.jp/ait/articles/0503/12/news025.html) 23

http://www.atmarkit.co.jp/ait/articles/0503/12/news025.html

24.

まとめ プロセスはプログラムの実行単位 スレッドはプロセス内に作られる処理の単位 1つのプロセスは1以上のスレッドを持つ スレッドもプロセスも複数持てて、同時に実行できる 24

25.

synchronous/ asynchronous 同期/非同期 25

26.

プログラムの処理には同期と非同期がある非同期 26

27.

処理をして結果が返ってくるまで待つのは同期。リレーは同期。非同期 27

28.

処理を待たずに次の処理を実行するのが非同期。玉入れは非同期。非同期 28

29.

スレッドと同期、非同期は直接は関係ない非同期 29

30.

しかしマルチスレッドは、スレッド間が常に非同期。非同期  引用:++C++; // 未確認飛行 C マルチスレッド (http://ufcpp.net/study/csharp/sp_thread.html) 30

http://ufcpp.net/study/csharp/sp_thread.html

31.

つまりマルチスレッドは非同期プログラムと親和性が高い非同期 31

32.

Core コア 32

33.

コアとはCPUの中心部分であり、実際に処理を行うところコア 33

34.

スレッドやプロセスはコアを複数使用できる。マルチコアコア  マルチスレッドとマルチタスクの違い (http://www.ni.com/white-paper/6424/ja/ ) 34

http://www.ni.com/white-paper/6424/ja/

35.

但しコアが一つでも、マルチスレッドは可能。どうやるか？コア  マルチスレッドとマルチタスクの違い (http://www.ni.com/white-paper/6424/ja/ ) 35

http://www.ni.com/white-paper/6424/ja/

36.

こうコア 36

37.

マルチスレッドにしても処理が速くなるとは限らない。むしろ遅くなることもある。コア 37

38.

シングルコアマルチスレッドは並行処理、マルチコアマルチスレッドは並列処理。コア  並行と並列について-並行コンピューティング技法-を読んで (http://www.m-tea.info/2011/03/concurrent-parallel-01.html) 38

http://www.m-tea.info/2011/03/concurrent-parallel-01.html

39.

まとめ プロセス、スレッド 同期、非同期 コア 並列、並行 ↓ マルチスレッドによる非同期 マルチコアによる並列処理 39

40.

高速化

41.

僕は高速化って「地球にやさしい」ぐらい矛盾した言葉だと思っています。高速化 41

42.

高速化 だってCPUは本来超高速です。 3GHzのCPUなら1秒間に30億回動きます。 そこにプログラマがプログラムで負荷をかけまくって、1万回のループで10万回の計算をさせたりして遅くします。 そうやって自分で遅くさせた CPUを、自分で遅くなくするのが高速化です。 42

43.

turnaround time ターンアラウンドタイム 43

44.

ターンアラウンドタイムとは処理にかかる総時間のことターンアラウンドタイム 44

45.

最初の高速化はターンアランドタイムの短縮ターンアラウンドタイム 45

46.

この高速化で最も重要なのが計測ターンアラウンドタイム 46

47.

人間の感覚で速い遅いを判断しては駄目ターンアラウンドタイム 47

48.

ストップウォッチを使ってちゃんと計測しようターンアラウンドタイム 48

49.

C#でもストップウォッチターンアラウンドタイム  var sw = Stopwatch.StartNew();  ShallowWork();  Console.WriteLine(sw.Elapsed);  sw.Reset();  sw.Start();  DeepWork();  Console.WriteLine(sw.Elapsed);  sw.Stop();  //00:00:00.0026507  //00:00:05.0886134  但し計測だけならストップウォッチよりプロファイラーの方が便利。（指摘により加筆。Thanks to kkamegawa） 49

50.

大体はパレートの法則(90:10の法則)が成り立つターンアラウンドタイム  ヴィルフレド・パレート 50

51.

ターンアラウンドタイム 10%を絞り込めたら、そこの部分を高速化 IOアクセスの回数を減らしたり、アルゴリズムを見直したり、事前に計算してメモリに乗せたり。 C#なら16byte以下のclassをstruct にしたり、キャストが重いので asを使ったり（次ページに削除理由）、文字列の連携には StringBuilderを使ったり 51

52.

前ページの取り消し理由 「キャストが重いのでasを使う」と書いた所、適当ではないとの指摘を受ける。(Thanks to isishizuka!) 例外が発生するケースではキャストよりasを使った方が高速化だけど、10%に絞り込んだ時にキャストをasに直すというのは適当ではないため（100％確実に型変換ができる場合はキャストの方が高速）取り消しました。 52

53.

ターンアラウンドタイム 奇抜なテクニックで速くなることはあまりないかも 地味で手間はかかるが、トライアンドエラーを繰り返す 学問には王道しかない ↑引用:森博嗣著「喜嶋先生の静かな世界」 53

54.

ターンアラウンドタイム 同じ場所が再度遅くなることもよくある 計測結果は実際に動いている環境に表示したり、ログを残したり見える化すると良い 54

55.

throughput スループット 55

56.

スループットとは時間当たりで処理出来る量のこと。スループット 56

57.

次の高速化はスループッドの増加スループット 57

58.

スループットを増やすにはコアを増やすこと。スループット 58

59.

8分かかったものを4人で処理すれば2分になる。仕事量が8 分であることには変わりない。スループット 59

60.

シングルコアでの並行処理では速くならない。マルチコアでの並列処理をするスループット 60

61.

マルチコアプログラムを初めて組んだ時僕はとても驚きました。スループット 61

62.

地味で手間のかかる高速化をしていないのに、びっくりするぐらい速くなったスループット 62

63.

[beta]

DEMO1

スループット

//通常for
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
DeepWork();
}
//並列実行Paraller.For
Parallel.For(0, 100, i =>
{
DeepWork();
});

63

64.

ただ、マルチコアプログラムは実際難しい点も多い。スループット indexは順番不定 UIスレッド 排他制御 64

65.

スループット 注意点はしっかり押さえよう！ C# によるプログラミング入門並列処理ライブラリ <- 岩永さんとか この後のbiacさんのセッションでも…！ MSDN - データとタスクの並列化における注意点 並列コンピューティングとは何か 65

66.

ポイント ターンアラウンドタイムを減らし、スループッドを増やせば速くなる しかし、速くなってもユーザーは最終結果がファーストコンタクト 分かりやすく言うと1分を15秒にしても皆(隣も!) 遅いと言う 66

67.

Response time レスポンスタイム 67

68.

レスポンスタイムとはアクションに対してリアクションが返ってくるまでの時間。レスポンスタイム 68

69.

最後の高速化が、レスポンスタイム、反応の速さの高速化。レスポンスタイム 69

70.

レスポンスタイムを向上するにはマルチスレッドによる非同期プログラミングレスポンスタイム 70

71.

非同期にするとフリーズしなくなる。DEMO2 レスポンスタイム Task.Run(() => { for (int i = 0; i < 100; i++) { DeepWork(); } }); 71

72.

しかし待つことは変わらないケースが殆ど。レスポンスタイム 72

73.

そこで、待つのが気にならないコントロールでのUI/UX表現が必須。レスポンスタイム 73

74.

レスポンスタイム コントロールの中で数少ないボタンが持っているUI/UXの特性があると思っています。 コンボボックスが次点？ 74

75.

アクションに対しての反応が自分自身でない(ことが多い)ので即時でなくても待ちやすい。レスポンスタイム 75

76.

レスポンスタイム 他のコントロールはリアクションが自分自身のため即座でないと使いにくさを感じる。 DEMO3 76

77.

レスポンスタイム ボタン自体もリアクションとしてEnabledをoffにすると分かりやすいし、誤動作防止。 DEMO4 77

78.

レスポンスタイム ボタン表示オフだけより何をしているのかを文字で書くだけでも印象が違う。 DEMO5 78

79.

特に重要なのが動き。動いているコントロールがあれば待ちやすい。レスポンスタイム  Low Wai Yin's Portfolio:http://lwaiyin.wordpress.com/2011/02/25/2d-runanimation/ 79

80.

コマンドラインでもキュレットが点滅しているので待てるレスポンスタイム 80

81.

ここで大問題。マルチスレッドにするとコントロールへの書き込みが出来ない。レスポンスタイム 81

82.

レスポンスタイム 対応するにはWPFなら DispacherやWinFormなら Invoke。もしくは TaskSchedulerを使う DEMO6,7 82

83.

var uiTask = TaskScheduler.FromCurrentSynchronizationContext(); await Task.Run(() => { for (int i = 0; i < 100; i++) { レスポンスタイム DeepWork(); new Task(() => progressBar1.Value = i).Start(uiTask); } }); 83

84.

レスポンスタイム さらにプログレスバーにキャンセル処理。やっと最初の下りの実現。 DEMO8 84

85.

[beta]

var uiTask = TaskScheduler.FromCurrentSynchronizationContext();

await Task.Run(() =>
{
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
DeepWork();

レスポンスタ
イム

if (_cancelToken.IsCancellationRequested) break;
new Task(() => progressBar.Value = i).Start(uiTask);
}
});
private CancellationTokenSource _cancelToken = new
CancellationTokenSource();
private void cancelButton_Click(object sender, EventArgs e)
{
_cancelToken.Cancel();

}
85

86.

ターンアラウンドタイムを減らす。泥臭いけど王道。まとめ スループットを増やす。マルチコアによる並列プログラム。 レスポンスタイムを速く。マルチスレッドによる非同期プログラム。 レスポンスタイムを速くして、待つのが気にならないUIを作る 86

87.

end おわりに 87

88.

最後に高速化を比喩で。 高速化はダイエットに似ています。おわりに 88

89.

太ります！ DEBU! 89

90.

測ります！！ CHECK!! 90

91.

痩せます！！！ YASE!!! 91

92.

リバンウンドします！！！！ REBOUND!!!! 92

93.

ごまかします！！！！！ BEAUTIFUL!!!!! 93

94.

 連載.NETマルチスレッド・プログラミング入門  マルチスレッドとマルチタスクの違い  ++C++;// 未確認飛行 C マルチスレッド  意味の違いがわかる？タスクとプロセスとスレッド  避けて通れない「非同期処理」を克服しよう  ++C++;// 未確認飛行 C 並列処理ライブラリ  C# 5.0＆VB 11.0新機能「async／await非同期メソッド」入門  並行と並列について-並行コンピューティング技法-を読んで参考(一部)  並列プログラミング入門！＆おさらい！  Taskを使って非同期処理  C#5.0のasync/awaitによる非同期処理の使い方  非同期処理でUIスレッドを操作する方法  とあるコンサルタントのつぶやきマルチスレッド Windows フォームアプリケーションの開発  DOBON.NETより高い精度で時間を計測する  VC++まわりの非同期処理  増補改訂版Java言語で学ぶデザインパターン入門マルチスレッド編  @IT, Wikipedia, IT用語辞典, StackOverFlow, 94