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非同期処理の歴史から見たコンピューティングの進化
マーベリック株式会社
リチャード 伊真岡
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現代のアプリケーション開発は
非同期処理が重要
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モバイルアプリケーションでの
同時多発的な処理
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処理がまずいと...
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サーバー側でも様々な処理を
同時に行う
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JavaScript: promise, async/await
Go: goroutine, channel
Kotlin: Coroutine
Java: java.util.concurrent (1.5, 8.0)
Scala: Future
ReactiveX
チュートリアルを見れば
それっぽい物は書ける...
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「スレッドセーフじゃなくない？」
そんなときコードレビューで...!!
非同期処理にしたはずが画面フリーズ！
エラーが出たけど原因をたどれない...
さらにランタイム(本番環境)で...
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No content
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「非同期おもしろい」と思うキッカケを
なにかひとつ見つけてほしい
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今日のながれ
• 歴史を学ぶ、各技術の背景とつながりを学ぶ
• 抽象度の低いものから高いものへと少しずつ学ぶ
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マルチスレッド
Multi-threaded
Concurrent
Asynchronous
平行
非同期
用語について
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マルチスレッド
Multi-threaded
Concurrent
Asynchronous
平行
用語について
このスライドでは「非同期」という単語をよく使うが
平行・マルチスレッド処理でもある物が中心
非同期
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インターネット・モバイルユーザの増加と
CPU性能の変遷
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Our World in Data
より引用
https://ourworldindata.org/internet
2016年にインターネット
ユーザ34億人
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Statista より引用
https://www.statista.com/statistic
s/263437/global-smartphone-sales-t
o-end-users-since-2007/
スマートフォン出荷台数
2018年に15億台
スマートフォン所有者の統
計を見つけられなかった
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No content
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CPUクロック速度の変遷
2005年前後で3.4GHzに
達している
https://twitter.com/csgillespie/sta
tus/732532249325907968
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No content
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この年表をベースにさらに様々な技術の変遷を
追っていきます
注意) 私はScalaプログラマなので
Java, Scalaに関する話が多くなります
ただし他の言語でも通用する話が多いです
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Java Memory Model
と Java 5 の非同期処理
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No content
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Slide 22 text
No content
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Oracle Concurrency guide
https://docs.oracle.com/javase/tutorial/essentia
l/concurrency/
今日一番覚えておいて
ほしい資料！！！
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Thread & Runnable
public class MyRunnable implements Runnable {
public void run() { ... }
}
Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
thread.start();
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Slide 25 text
No content
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Slide 26 text
A Swing programmer deals with the following
kinds of threads:
● Initial threads, the threads that execute initial application
code.
● The event dispatch thread, where all event-handling code is
executed. Most code that interacts with the Swing framework
must also execute on this thread.
● Worker threads, also known as background threads, where
time-consuming background tasks are executed.
スレッド使用例
Swing guide UI framework
https://docs.oracle.com/javase/tutorial/uiswing
/concurrency/index.html
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Slide 27 text
No content
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Slide 28 text
No content
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Slide 29 text
No content
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java.util.concurrent
(Java 5.0 以降)
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ExecutorService
ExecutorService service = …;
service.execute(runnable);
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No content
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Slide 33 text
No content
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Slide 34 text
No content
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Slide 35 text
非同期で起こる問題の一例
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Slide 36 text
thread interference (非atomic処理)
class Counter {
private int c = 0;
public void increment() {
c++;
}
public void decrement() {
c--;
}
public int value() {
return c;
}
}
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Slide 37 text
No content
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Slide 38 text
No content
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Slide 39 text
1. Thread A: int c 取得
2. Thread B: int c 取得
3. Thread A: 取得した値をIncrement
4. Thread B: 取得した値をDecrement
5. Thread A: cに1を書き込み
6. Thread B: cに-1を書き込み
(6が5を上書き)
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synchronized
class Counter {
private int c = 0;
public synchronized void increment() {
c++;
}
public synchronized void decrement() {
c--;
}
public int value() {
return c;
}
}
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No content
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No content
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No content
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synchronized
atomic
happens-before
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happens-before
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No content
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No content
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No content
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data race
(memory-consistency error)
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順番(happens-before)があれば
期待される状態を導ける
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No content
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Slide 52 text
少なくともどちらか一方が
writeである場合
conflicting access
data race (問題) の原因
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Slide 53 text
Java Memory Model
Java 5.0 (1.5) からの導入
https://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel
/jsr133.pdf
http://gee.cs.oswego.edu/dl/jmm/cookbook.html
http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/
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Java 5.0ではSynchronizedの他にも
data raceを避けるツールが導入された
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Slide 55 text
java.util.concurrent.locks
Lock
ReadWriteLock
Condition
ReentrantLock
...
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Slide 56 text
volatile
“write to a volatile variable establishes
a happens-before relationship with
subsequent reads of that same
variable”
volatile int counter = 0;
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atomic
java.util.concurrent.atomic
AtomicInteger
AtomicBoolean
AtomicLong
AtomicReference
...
//CAS operation
boolean compareAndSet(expectedValue, updateValue);
CASはCPUでサポートされた操作
java.util.concurrent.atomicはそれを利用する
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Slide 58 text
1.CAS成功例
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2.CAS成功例
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3.CAS成功例
memory location value == expected
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1.CAS失敗例
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2.CAS失敗例
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3.CAS失敗例
memory location value != expected
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thread-safe collections
java.util.concurrent
ConcurrentHashMap
ConcurrentLinkedQueue
...
CASを利用
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● Java Memory Model 仕様
○ happens-before
○ volatile, synchonized, locks
● java.util.concurrency ツール
○ locks, atomic, ExecutorService, thread-safe collections
○ これらをうまく使うパターン、抽象度の更に高いツールは後年
Java 1.4 -> 5.0 時代のまとめ
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OSとCPU
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Netflixのパフォーマンス分析エンジニア
Brendan Gregg氏が2013年に書いた
CPUやメモリの動作がOSレベルでどう使わ
れているかについて参考になる章がある
http://www.brendangregg.com/sysperfbook.html
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No content
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CPUとキャッシュ
Stack Exchange -
Where exactly L1, L2 and L3 Caches
located in computer?
https://superuser.com/questions/1961
43/where-exactly-l1-l2-and-l3-caches-loc
ated-in-computer
キャッシュは「スレッド
ごとのメモリ空間」に関
わる
-> data race
-> happens-before
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CPUとキャッシュ
Stack Exchange -
Where exactly L1, L2 and L3 Caches
located in computer?
https://superuser.com/questions/1961
43/where-exactly-l1-l2-and-l3-caches-loc
ated-in-computer
キャッシュは「スレッド
ごとのメモリ空間」に関
わる
-> data race
-> happens-before
data race
(memory-consistency error)
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No content
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No content
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Slide 73 text
No content
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AjaxとGoogle Maps
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No content
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Google Maps以前
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Slide 77 text
AjaxとGoogle Maps
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Slide 78 text
Event LoopとAjax
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No content
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Slide 80 text
event loop
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Slide 81 text
main()
function funC(c) {
… //make an ajax call
}
function funcB(b) {
return funcC(b);
}
function funcA(a) {
return funcB(a);
}
funcA(“my user data string”);
call stack
event loop
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Slide 82 text
funcA()
main()
function funC(c) {
… //make an ajax call
}
function funcB(b) {
return funcC(b);
}
function funcA(a) {
return funcB(a);
}
funcA(“my user data string”);
call stack
event loop
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Slide 83 text
funcB()
funcA()
main()
function funC(c) {
… //make an ajax call
}
function funcB(b) {
return funcC(c);
}
function funcA(a) {
return funcB(a);
}
funcA(“my user data string”);
call stack
event loop
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Slide 84 text
funcB()
funcA()
main()
function funC(c) {
… //make an ajax call
}
function funcB(b) {
return funcC(b);
}
function funcA(a) {
return funcB(a);
}
funcA(“my user data string”);
funcC()
call stack
event loop
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Slide 85 text
funcB()
funcA()
main()
function funC(c) {
… //make an ajax call
}
function funcB(b) {
return funcC(c);
}
function funcA(a) {
return funcB(a);
}
funcA(“my user data string”);
funcC()
call stack
event loop
ajax コール
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Slide 86 text
funcB()
funcA()
main()
function funC(c) {
… //make an ajax call
}
function funcB(b) {
return funcC(c);
}
function funcA(a) {
return funcB(a);
}
funcA(“my user data string”);
call stack
event loop
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Slide 87 text
funcB()
funcA()
main()
function funC(c) {
… //make an ajax call
}
function funcB(b) {
return funcC(c);
}
function funcA(a) {
return funcB(a);
}
funcA(“my user data string”);
call stack
event loop
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Slide 88 text
funcA()
main()
function funC(c) {
… //make an ajax call
}
function funcB(b) {
return funcC(c);
}
function funcA(a) {
return funcB(a);
}
funcA(“my user data string”);
call stack
event loop
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Slide 89 text
main()
function funC(c) {
… //make an ajax call
}
function funcB(b) {
return funcC(c);
}
function funcA(a) {
return funcB(a);
}
funcA(“my user data string”);
call stack
event loop
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Slide 90 text
function funC(c) {
… //make an ajax call
}
function funcB(b) {
return funcC(c);
}
function funcA(a) {
return funcB(a);
}
funcA(“my user data string”);
event loop
ajax コールバック
タスクキュー
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タスクキューも含めたアニメーション
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Slide 92 text
ajax コール
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Slide 93 text
ajax コールバック
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Slide 94 text
No content
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No content
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Slide 96 text
No content
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● スレッドを意識せずにコールバックのみで非同期処理
● Event Loop
● 非同期処理が庶民の手に！
AjaxとGoogle Mapsのまとめ
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C10k problem
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引用元: https://news.netcraft.com/archives/2019/02/28/february-2019-web-server-survey.html
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引用元: https://news.netcraft.com/archives/2019/02/28/february-2019-web-server-survey.html
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No content
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Slide 102 text
No content
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Slide 103 text
同時に走るスレッドは
高々CPUコア数
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Slide 104 text
同時に走るスレッドは
高々CPUコア数
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Slide 105 text
同時に走るスレッドは
高々CPUコア数
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Slide 106 text
同時に走るスレッドは
高々CPUコア数
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Slide 107 text
No content
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Slide 108 text
The Node.js Event Loop, Timers,
and process.nextTick()
https://nodejs.org/uk/docs/guides/event-loop-time
rs-and-nexttick/#event-loop-explained
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No content
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No content
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Slide 111 text
ajax コール
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Slide 112 text
タイマーが指定時間に達していない2タスク
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Slide 113 text
No content
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Slide 114 text
No content
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ajax コールバック
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Slide 116 text
タイマー更新
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Slide 117 text
タイマー更新
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No content
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Slide 119 text
No content
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Slide 120 text
No content
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No content
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Slide 122 text
No content
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Slide 123 text
No content
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Slide 124 text
c10k problemまとめ
● OS thread生成やOS threadのコンテキストスイッチのコスト
● Event Loop、Event駆動モデル
● コールバック重要
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Slide 125 text
JavaScript promise, async/await
Slide 126
Slide 126 text
http://callbackhell.com/
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Slide 127 text
Promiseコード例
JavaScript Promiseの本
http://azu.github.io/promises-book/#pro
mise-chain
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Slide 128 text
async/await コード例
JavaScript Promiseの本
http://azu.github.io/promises-book/#pro
mise-chain
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Slide 129 text
Scala Futureとの類似性
Scala docs
FUTURES AND PROMISES
https://docs.scala-lang.org/overviews/co
re/futures.html
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Slide 130 text
No content
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Slide 131 text
JavaScript promise, async/await
まとめ
● Callback = 細分化された非同期処理
● 非同期処理のChaining
○ ReactiveXなどのストリーム処理にも通じる
● 「書きやすさ」という進化の方向性
Slide 132
Slide 132 text
関数型プログラミングと
immutable object
Slide 133
Slide 133 text
少なくともどちらか一方が
writeである場合
conflicting accessは
data race (問題) の原因
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Slide 134 text
No content
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Slide 135 text
No content
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Slide 136 text
オブジェクトを変更する際は新しいインスタンスを作
成、元のオブジェクトはそのまま
Slide 137
Slide 137 text
Oracle Concurrency guide
もimmutable objectに
言及している
● setterダメ
● final, private
● ...
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Slide 138 text
No content
Slide 139
Slide 139 text
Akkaとactor model
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Slide 140 text
rich, realtime -> 状態 ?
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Slide 141 text
IDを持つオブジェクトの内部状態が変化する例
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Slide 142 text
IDでクエリ
Slide 143
Slide 143 text
IDでクエリ
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IDを持つオブジェクトのインスタンスが
複数スレッドに存在する場合
Slide 145
Slide 145 text
どのスレッドに対して
クエリ？
Slide 146
Slide 146 text
デーモンスレッドにオブジェクトのインスタンスを保持
Slide 147
Slide 147 text
デーモンスレッドにオブジェクトのインスタンスを保持
Slide 148
Slide 148 text
デーモンスレッドにオブジェクトのインスタンスを保持
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Slide 149 text
No content
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Slide 150 text
クエリはできたしかし...
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Slide 151 text
少なくともどちらか一方が
writeである場合
conflicting accessは
data race (問題) の原因
Slide 152
Slide 152 text
conflicting accessはの正しい管理は難しい
Slide 153
Slide 153 text
conflicting accessはの正しい管理は難しい
Slide 154
Slide 154 text
shared mutable: 複雑さの元凶
shared mutable:おもしろさの源
Slide 155
Slide 155 text
アプリケーションの状態をすべて
データベースで管理する方法
Slide 156
Slide 156 text
データベース周りの
ソースコードが複雑
Slide 157
Slide 157 text
複雑さのバランスを
アプリケーション側
との間でとる
Slide 158
Slide 158 text
オブジェクトの内部状態
Slide 159
Slide 159 text
Actorでオブジェクトの内部状態を隠蔽
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Slide 160 text
Actorどうしはメッセージを送り合って通信
Slide 161
Slide 161 text
Akka actorコードサンプル
actor ! message
class MyActor extends Actor {
var state = ...
def receive = {
case MessageTypeX => ...
case MessageTypeY => ...
case MessageTypeZ => ...
}
}
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Slide 162 text
SenderはReceiverのスレッドセーフなキューに
メッセージを送る
Slide 163
Slide 163 text
No content
Slide 164
Slide 164 text
複数Senderから同時に
メッセージを送ることが可能
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Slide 165 text
thread-safe collections
java.util.concurrent
ConcurrentHashMap
ConcurrentLinkedQueue
...
CASを利用
Akka actorのメッセージキューは
デフォルトで
ConcurrentLinkedQueue
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Slide 166 text
thread-safe collections
java.util.concurrent
ConcurrentHashMap
ConcurrentLinkedQueue
...
CASを利用
Akka actorのメッセージキューは
デフォルトで
ConcurrentLinkedQueue
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Slide 167 text
Receiver側の動作を追っていく
Slide 168
Slide 168 text
No content
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Slide 169 text
単一のスレッドがReceiverの
receiveメソッドを走らせる
スレッド1
スレッド2
Slide 170
Slide 170 text
スレッド1
スレッド2
Receiverはキューから一つずつ
メッセージを取り出し処理する
Slide 171
Slide 171 text
スレッド1
スレッド2
Receiverの実行スレッドは
入れ替わることがある
Slide 172
Slide 172 text
ActorのReceiveメソッドは
いかなる時も最大一つのスレッド
によって実行
スレッド0
スレッド1
スレッド2
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Slide 173 text
スレッド0
スレッド1
Receiverはキューからメッセージ
がなくなったら次を待つ
Slide 174
Slide 174 text
Akka official
documentation
https://doc.akka.io/docs/akka/current/general/jmm.
html#actors-and-the-java-memory-model
自分でvolatileを使う
必要はない
Akkaが面倒を見てくれる
ActorのReceiveメソッドは
いかなる時も最大一つのスレッド
によって実行
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Slide 175 text
No content
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Slide 176 text
volatile
“write to a volatile variable establishes
a happens-before relationship with
subsequent reads of that same
variable”
Slide 177
Slide 177 text
> さらにvolatileな変数をread
するとき、read側のスレッドは
最新のvolatile変数の変更のみ
ならず、そこへ至るまでのコー
ドの副作用まで観測することに
なる
Slide 178
Slide 178 text
Akka actor modelまとめ
● shared mutableは難しいが重要な場合がある
● actor modelはshared mutable管理の一つの解
● AkkaはJava 5.0時代からのツールを内部で使う
Slide 179
Slide 179 text
関数型方面の進化
(Scala)
Slide 180
Slide 180 text
Scalaで非同期処理を主要機能に含むライブラリ
Scala標準 Monix Cats Effect ZIO
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Slide 181 text
共通なパターン
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Slide 182 text
Cats Effect
SemaphoreやMVarなどの
低レベルな非同期処理の
パーツを
acquire, releaseなどの
コンビネータとともに定義
https://typelevel.org/cats-effect/
Slide 183
Slide 183 text
Cats Effect
Scalaのfor文とモナドを組
み合わせるテクニックに
よってChainingを実現
型安全なので各処理ステッ
プの戻り値型とエラー型が
合わなければコンパイラが
エラーで教えてくれる
https://typelevel.org/cats-effect/
Slide 184
Slide 184 text
https://typelevel.org/cats-effect/
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Slide 185 text
ZIO
try/catchブロックを型安全に
行う例
ファイルやデータベースのリ
ソース開放に便利
https://zio.dev/
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Slide 186 text
ZIO
こちらもコンビネータを使って
Chainingを行うことができる
https://zio.dev/
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Slide 187 text
No content
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No content
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Slide 189 text
非同期処理進化の方向性
● 処理の細分化・書きやすさ
● 抽象化
● 堅牢性
● 効率
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Slide 190 text
自分の過去
● 新卒から9年間自社言語: シングルスレッド・同期IOのみ
● Javaの非同期怖かった
● actor modelの実装であるAkkaに興味を持つ
Slide 191
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非同期処理を楽しく学ぶ
● わかりにくかったら抽象度の低いものを先に学ぶのもアリ
● 今回の発表からひとつだけでも興味を持って欲しい
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Slide 192 text
マーベリックではエンジニア募集中
Slide 193
Slide 193 text
文献
Our World in Data https://ourworldindata.org/internet
世界のインターネットユーザ数の統計。
Statista https://www.statista.com/statistics/...
年間スマートフォン出荷台数の統計。
https://twitter.com/csgillespie/status/…
CPUクロック周波数に関するグラフ付きツイート。
Slide 194
Slide 194 text
Oracle Concurrency guide
https://docs.oracle.com/javase/tutorial/…
Java 5.0やそれ以前から続く非同期処理技術に詳しい。
Computer Hope processor history
https://www.computerhope.com/history/processor.htm
AMDが2005年に初のdual-coreを発売など。
Java Memory ModelとJava 5.0
Oracle Concurrency in Swing guide
https://docs.oracle.com/javase/tutorial/uiswing/...
UIでのスレッド管理プラクティスとして一部今も通用する。
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Slide 195 text
The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers
http://gee.cs.oswego.edu/dl/jmm/cookbook.html
JSR-133に深く関わったDoug Lea教授による情報。
The Java Memory Model
http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/
JSR-133仕様書に載っていない周辺情報。
Simple, Fast, and Practical Non-Blocking and Blocking
Concurrent Queue Algorithms https://www.cs.rochester..
ConcurrentLinkedQueue実装に使われたアルゴリズム。
JSR-133 https://www.cs.umd.edu/~pugh/…
Java Memory Model仕様書。happens-beforeを始め様々な概
念やコンパイラ最適化の影響などが解説されている。
Slide 196
Slide 196 text
OSとCPU
Systems Performance https://www.amazon.com/gp…
Netflixのパフォーマンス分析エンジニアBrendan Gregg氏に
よる著書。CPUとスレッドについての章がある。
Brendan Gregg’s Home page
http://www.brendangregg.com/overview.html
Brendan Gregg氏の著書にも関わる様々な情報がある
See How a CPU works https://youtu.be/cNN_tTXABUA
Scott CPUという教育用の仮想的なCPUを題材に動画で解説
している。
Slide 197
Slide 197 text
AjaxとGoogle Maps
YouTube: Screen record of Google Maps in 2005
https://youtu.be/PDG6tELjCOE
一般ユーザによる録画と思われる。
YouTube: What the heck is the event loop anyway? JSConf
https://youtu.be/8aGhZQkoFbQ
アニメーションを駆使したevent loop解説。100万再生以上。
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C10k problem
ゆううきブログ: 2015年Webサーバアーキテクチャ序論
https://youtu.be/PDG6tELjCOE
現さくらインターネット研究所の坪内佑樹さんのブログ。C10k
問題や当時のサーバアーキテクチャを画像とともに解説。
The Node.js Event Loop, Timers, and process.nextTick()
https://nodejs.org/uk/docs/guides/...
公式ドキュメント。各フェーズ毎の詳細な解説。
GitHub: libuv https://github.com/libuv/libuv/...
node.js内部で使われているイベントループの実装を含む非同
期I/Oライブラリ。Cで書かれている。
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Inside NGINX: How We Designed for Performance & Scale
https://www.nginx.com/blog/...
nginx公式のアーキテクチャ解説。
MDN web docs: Concurrency model and Event Loop
https://developer.mozilla.org/en-US/docs/...
MozillaによるEvent Loop解説
JavaScript Promiseの本
https://azu.github.io/promises-book/
JavaScriptを中心に著名なエンジニアであるazu氏が書いた
Promiseおよびasync/awaitを解説したウェブ上の本
JavaScript promise, async/await
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Akka docs: https://akka.io/docs/
公式のドキュメント
edX: Programming Reactive Systems https://www.edx.org/...
AkkaのメンテナであったKonrad Malawski氏が中心となって
作ったオンライン学習コース
Scala: Futures and Promises
https://docs.scala-lang.org/overviews/core/futures.html
Scala公式のFutureのドキュメント。Chainingの参考になる。
Akkaとactor model
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関数型方面の進化(Scala)
Monix https://monix.io/
イベント駆動で高パフォーマンスな非同期プログラムを書くサ
ポートをするライブラリ。
Cats Effect https://typelevel.org/cats-effect/
I/Oを表す型を提供するライブラリ。同期および非同期の
Effectを表現することができる。
ZIO https://zio.dev/
型安全でcomposableで非同期な処理をかけるライブラリ。
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YouTube: The Making of an IO - Daniel Spiewak
https://youtu.be/g_jP47HFpWA
関数型プログラムと非同期処理の関係を説明。Cats Effectの思想
やスレッドプール使い分けベストプラクティスにも触れる