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Tweetは是非 #CEDEC2018 スライドはセッション後すぐ公開します

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河合 宜文 / Kawai Yoshifumi / @neuecc New World, Inc. C# Unity

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C#最速シリアライザ https://github.com/neuecc/MessagePack-CSharp/

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Reactive Extensions for Unity https://github.com/neuecc/UniRx/ async/await(UniTask) async UniTask DemoAsync() { // You can await Unity's AsyncObject var asset = await Resources.LoadAsync("foo"); // .ConfigureAwait accepts progress callback await SceneManager.LoadSceneAsync("scene2").ConfigureAwai // await frame-based operation(you can also await frame c await UniTask.Delay(TimeSpan.FromSeconds(3)); // like 'yield return WaitForEndOfFrame', or Rx's Observe await UniTask.Yield(PlayerLoopTiming.PostLateUpdate); // You can await standard task await Task.Run(() => 100); // get async webrequest async UniTask GetTextAsync(UnityWebRequest req) { var op = await req.SendWebRequest(); return op.downloadHandler.text; } var task1 = GetTextAsync(UnityWebRequest.Get("http://goog var task2 = GetTextAsync(UnityWebRequest.Get("http://bing var task3 = GetTextAsync(UnityWebRequest.Get("http://yaho // concurrent async-wait and get result easily by tuple s var (google, bing, yahoo) = await UniTask.WhenAll(task1, // You can handle timeout easily await GetTextAsync(UnityWebRequest.Get("http://unity.com"

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using C

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in 10 years

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C#大統一理論 #とは

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サーバーも クライアントも 全部C#で統一する

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サーバーサイドエンジニアでC#で書ける人間がい なくて覚えなおし基盤システムがもう構築されて るコードが流用できないそもそもWindowsだしい やMicrosoftがいや余計にお金がかかりそうプロプ ライエタリじゃないのGoのほうがなうい別にPHP で困ってないC++のほうがパフォーマンスいいん じゃないのノウハウがないインターネットに情報 がないオープンじゃない気がするMacで動かない んじゃないの事例もあんまないし失敗しそうetc...

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サーバーサイドエンジニアでC#で書ける人間がい なくて覚えなおし基盤システムがもう構築されて るコードが流用できないそもそもWindowsだしい やMicrosoftがいや余計にお金がかかりそうプロプ ライエタリじゃないのGoのほうがなうい別にPHP で困ってないC++のほうがパフォーマンスいいん じゃないのノウハウがないインターネットに情報 がないオープンじゃない気がするMacで動かない んじゃないの事例もあんまないし失敗しそうetc...

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Realtime Unity API Service

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Realtime Unity API Service

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Realtime Unity API Service

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Realtime Unity API Service

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Realtime Unity API Service

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Realtime Unity API Service

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Realtime Unity API Service

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Realtime Unity API Service

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Realtime Unity API Service

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Performance of C#

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速い? 遅い?

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速い? 遅い?

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やっぱ遅かった。 当時(15年前)パフォーマンスを志向してこなかった

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Motivation

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Performance by Default というUnityの標語 ECS + Job System + Burst Compilerで、C#をC++よりも高速に 性能の向上は不可能を可能にする! C# 7.x + .NET Core 2.1 Linuxで動く.NET実装(登場からかなり時間も経ち十分現実的です) OSS化により細かい性能向上PRを受け入れ、 人海戦術でボトルネックが潰されていっている 言語やランタイムにも手を入れ大きな性能向上を果たしている

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リアルな性能は基盤だけでは決まらない ウェブフレームワークやデータベースアクセス、シリアライゼー ション、etc... (そもそも言語自体の評価が、言語だけではなくライブラリやエコ システムなども含めて評価すべき) 現実的にはまだC#はよくなってきたとはいえ、手薄 そこがパフォーマンスを当初からしっかり意識して鍛え上げられて きた言語と、最近やっと目覚めたゆとりC#との違い だからこそ、やらなければならない

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C#最速JSONシリアライザ https://github.com/neuecc/Utf8Json

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C#も誕生15年、一見枯れてるように見える、が 別にそんなことはなかった C#で真の意味でのパフォーマンスが意識されだしたのは近年 言語のポテンシャルを100%活かしたライブラリを開発することに よって、C#のパフォーマンスを下支えする そして性能のベースラインを掲示したことにより、世界中でシリア ライザに限らずC#のパフォーマンスへの意識を変えた 常に前線で競える言語となるために 誰かがやってくれるのではなく誰もが当事者 それがオープンであるということだし、C#もそういう世界にいる

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Introduction to the High Performance C#

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NOTICE この先の内容はあくまでエクストリーム なパフォーマンスを求めたい場合のため であり普通に書く場合これらに気をつけ る必要は別に特に全くあまりないことも 多いことは前提としてください

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徹頭徹尾、遅くなる要因を取り除く 極限的な領域だとプロファイラは役に立たない (ぶっちゃけ見ても特に何もネックになっていない) 理論的に最速になるコードのイメージを描いて、 全ての言語知識を駆使して通過するコードパスから無駄を省き、 それに近づける 狂気に彩られた執念で全てを潰す 特別なことはないし一つ一つはとにかく地味 それを死ぬほど徹底する、それが唯一最大の秘訣で、難しいこと

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例えばint(999)をbyte[]にシリアライズ var bytes = BitConverter.GetBytes(999); unsafe { var bytes = new byte[4]; fixed (byte* ptr = bytes) { *((int*)ptr) = 999; } }

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// ふつーのシリアライザのAPIの例 byte[] Serialize(T obj) { // 1. 内部での書き込みストリーム作りのためにnew MemoryStream using(var stream = new MemoryStream()) // 2. データ生成時の内部ステートを保持するためのWriterのnew var writer = new XxxWriter(stream); // 3. Int用子シリアライザの取得あるいはprimitiveの場合はswitch var serializer = serializerCacheDictionary[typeof(T)]; // 4. (意外と内部では入ってることがある)objectへのボクシング serializer.WriteObject(writer, (object)obj); // 5. 可変長整数へのエンコード if(x <10) write... else if(x < 150) write... // 6. WriteByte呼び出しの連打(内部では幾つかのifやインクリメント) stream.WriteByte(byte >> 0); stream.WriteByte(byte >> 8) ... // 7. MemoryStreamのToArrayはbyte[]コピー memoryStream.ToArray(); }

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// ふつーのシリアライザのAPIの例 byte[] Serialize(T obj) { // 1. 内部での書き込みストリーム作りのためにnew MemoryStream using(var stream = new MemoryStream()) // 2. データ生成時の内部ステートを保持するためのWriterのnew var writer = new XxxWriter(stream); // 3. Int用子シリアライザの取得あるいはprimitiveの場合はswitch var serializer = serializerCacheDictionary[typeof(T)]; // 4. (意外と内部では入ってることがある)objectへのボクシング serializer.WriteObject(writer, (object)obj); // 5. 可変長整数へのエンコード if(x <10) write... else if(x < 150) write... // 6. WriteByte呼び出しの連打(内部では幾つかのifやインクリメント) stream.WriteByte(byte >> 0); stream.WriteByte(byte >> 8) ... // 7. MemoryStreamのToArrayはbyte[]コピー memoryStream.ToArray(); } そりゃ遅い! けれどそれは言われてみれば…… というのも事実 そして逆に言えば これを全部避ければ速いはず!

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// こんなクラスがあるとして public class Sample { public int Id { get; set; } public string Name { get; set; } public string[] Addresses { get; set; } } // Object作って Sample obj = new Sample { Id = 10, Name = "Foo", Addresses = new[] { "Foo", "Bar", "Baz" } }; // こんな感じにbyte[]に変換するというAPI byte[] bin = MessagePackSerializer.Serialize(obj);

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// これを詳細にバラすと byte[] bin = MessagePackSerializer.Serialize(obj); // Sampleの子シリアライザを取得し var sampleFormatter = StandardResolver.Instance.GetFormatter(); // resultの参照 byte[] bin = null; // こんな風になっている(refによってbinに結果が詰まってくる) sampleFormatter.Serialize(ref bin, 0, obj, StandardResolver.Instance);

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sampleFormatter.Serialize(ref bin, 0, obj, StandardResolver.Instance); // 子シリアライザ取得のための入れ物(後述) IFormatterResolver resolver = StandardResolver.Instance; // メモリプールから作業用byte[]を取得 var bin = BufferPool.ThreadStaticBuffer; // byte[]上の0位置から書き込み開始 var offset = 0; // オブジェクトの線形化 -> 配列上にならべる[Id, Name, Addresses] offset += MessagePackBinary.WriteArrayHeader(ref bin, offset, 3); // intのプリミティブバイナリ化 offset += MessagePackBinary.WriteInt32(ref bin, offset, obj.Id); // stringのプリミティブバイナリ化 offset += MessagePackBinary.WriteString(ref bin, offset, obj.Name); // string[]の子シリアライザを取得 var addressessFormatter = resolver.GetFormatter(); offset += addressessFormatter.Serialize(ref bin, offset, obj.Addresses, resolver); // 新規にbyte[]を作り作業用byte[]からコピー var finalBytes = new byte[offset]; Buffer.BlockCopy(bin, 0, finalBytes, 0, offset); return finalBytes;

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sampleFormatter.Serialize(ref bin, 0, obj, StandardResolver.Instance); // 子シリアライザ取得のための入れ物(後述) IFormatterResolver resolver = StandardResolver.Instance; // メモリプールから作業用byte[]を取得 var bin = BufferPool.ThreadStaticBuffer; // byte[]上の0位置から書き込み開始 var offset = 0; // オブジェクトの線形化 -> 配列上にならべる[Id, Name, Addresses] offset += MessagePackBinary.WriteArrayHeader(ref bin, offset, 3); // intのプリミティブバイナリ化 offset += MessagePackBinary.WriteInt32(ref bin, offset, obj.Id); // stringのプリミティブバイナリ化 offset += MessagePackBinary.WriteString(ref bin, offset, obj.Name); // string[]の子シリアライザを取得 var addressessFormatter = resolver.GetFormatter(); offset += addressessFormatter.Serialize(ref bin, offset, obj.Addresses, resolver); // 新規にbyte[]を作り作業用byte[]からコピー var finalBytes = new byte[offset]; Buffer.BlockCopy(bin, 0, finalBytes, 0, offset); return finalBytes;

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Chapter1: Dictionary Hack

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取得にDictionaryはコストゼロのように使いがち MessagePack for C#では以下のように型毎のシリアライザを取得 普通の作り方(?)だとこれを辞書から取ってくる Dictionary(ハッシュテーブル)はO(1) つまりタダじゃん、やったー!ではない O(1)でも内部的な処理量はそこそこあり、それなりに遅い (もっといえば汎用的に使えるようになっているため、その汎用化 部分がコードのパフォーマンスを若干落としてる、詳細は後述) IMessagePackFormatter f = resolver.GetFormatter(); IMessagePackFormatter f = dict[typeof(string[])];

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取得にDictionaryはコストゼロのように使いがち MessagePack for C#では以下のように型毎のシリアライザを取得 普通の作り方(?)だとこれを辞書から取ってくる Dictionary(ハッシュテーブル)はO(1) つまりタダじゃん、やったー!ではない O(1)でも内部的な処理量はそこそこあり、それなりに遅い (もっといえば汎用的に使えるようになっているため、その汎用化 部分がコードのパフォーマンスを若干落としてる、詳細は後述) IMessagePackFormatter f = resolver.GetFormatter(); IMessagePackFormatter f = dict[typeof(string[])];

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public class SampleResolver : IFormatterResolver { public static readonly IFormatterResolver Instance = new SampleResolver(); SampleResolver() { } public IMessagePackFormatter GetFormatter() { // Dictionaryのlookupのかわりに.fieldから取ってくる // 処理効率はJITコンパイラに委ねられ、C#のレイヤーでどうこうするより圧倒的に速い return Cache.formatter; } static class Cache { public static readonly IMessagePackFormatter formatter; // 静的コンストラクタはスレッドセーフで必ず一度しか呼ばれないことが言語的に保証されている static Cache() { var t = typeof(T); if (t == typeof(int)) formatter = new Int32Formatter(); else if (t == typeof(string)) formatter = new NullableStringFormatter(); else .... } } }

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public class SampleResolver : IFormatterResolver { public static readonly IFormatterResolver Instance = new SampleResolver(); SampleResolver() { } public IMessagePackFormatter GetFormatter() { // Dictionaryのlookupのかわりに.fieldから取ってくる // 処理効率はJITコンパイラに委ねられ、C#のレイヤーでどうこうするより圧倒的に速い return Cache.formatter; } static class Cache { public static readonly IMessagePackFormatter formatter; // 静的コンストラクタはスレッドセーフで必ず一度しか呼ばれないことが言語的に保証されている static Cache() { var t = typeof(T); if (t == typeof(int)) formatter = new Int32Formatter(); else if (t == typeof(string)) formatter = new NullableStringFormatter(); else .... } } }

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ジェネリック型はIL2CPPでコードサイズが膨らむ static class Cache { public static readonly IMessagePackFormatter formatter; // この中身のコードはTが値型の場合、同じものが吐かれる(参照型ならば共有される) // 値型はPrimitiveだけじゃなくEnumなども含まれるため、場合によっては凄い量になる…… static Cache() { // もしこの中身が凄い多い場合かなりのことになる // 実際UnityのIL2CPPでDictionaryはバイナリサイズが膨らむ要因の一つ! var t = typeof(T); if (t == typeof(int)) formatter = new Int32Formatter(); else if (t == typeof(string)) formatter = new NullableStringFormatter(); else .... } }

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static class Cache { public static readonly IMessagePackFormatter formatter; static Cache() { var f = CacheHelper.CreateFormatter(typeof(T)); if (f != null) { formatter = (IMessagePackFormatter)f; } } } static class CacheHelper { public static object CreateFormatter(Type t) { if (t == typeof(int)) return new Int32Formatter(); else if (t == typeof(string)) return new NullableStringFormatter(); else .... return null; }

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標準のDictionaryは決して最速ではない GetHashCode, Equalsの呼び出しがIEqualityComparer経由とい うオーバーヘッドがかなり大きい 直接呼び出しと、仮想メソッド呼び出しの性能差は確実にある 辞書が必要なら型を決め打って直接呼び出しにした 自家製のほうが性能面では明らかに良好 キーが非ジェネリックな辞書(Dictionary)や 文字列(Dictionary バイト配列(Dictionary)相当のものはよく作り使う

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標準のDictionaryは決して最速ではない GetHashCode, Equalsの呼び出しがIEqualityComparer経由とい うオーバーヘッドがかなり大きい 直接呼び出しと、仮想メソッド呼び出しの性能差は確実にある 辞書が必要なら型を決め打って直接呼び出しにした 自家製のほうが性能面では明らかに良好 キーが非ジェネリックな辞書(Dictionary)や 文字列(Dictionary バイト配列(Dictionary)相当のものはよく作り使う

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標準のDictionaryは決して最速ではない GetHashCode, Equalsの呼び出しがIEqualityComparer経由と いうオーバーヘッドがかなり大きい 直接呼び出しと、仮想メソッド呼び出しの性能差は確実にある 辞書が必要なら型を決め打って直接呼び出しにした 自家製のほうが性能面では明らかに良好 キーが非ジェネリックな辞書(Dictionary)や 文字列(Dictionary バイト配列(Dictionary)相当のものはよく作り使う

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byte[](ArraySegment) のKeyの辞書を作る KeyからValueを引くためだけにStringにデコードするのは高コスト もし入力がbyte[]なら、デコードせずそのまま参照すればいい

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byte[](ArraySegment) のKeyの辞書を作る KeyからValueを引くためだけにStringにデコードするのは高コスト もし入力がbyte[]なら、デコードせずそのまま参照すればいい ハッシュ値算出のアルゴリズムを工夫する byte[]からハッシュ値を作るアルゴリズムは色々ある MessagePack for C#ではFarmHashを採用 小さめのサイズの文字列に適しているため用途にマッチしていた 一般的にはxxHashが万能に最強説がある LZ4やZStandard作者によるもの

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プロパティ名のマッチングを最適化したい MessagePackのMapモード(JSONの{}とほぼ同じ)やUtf8Jsonで デシリアライズ時に、キーをどの値としてデコードすべきか 名前のマッチングが必要 一々デコードしてのStringがキーの辞書は論外 byte[]がキーの辞書も良いけれど、この場合更に上の技法がある

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文字列は重い Dictionaryの仕組みとして取得時にGetHashCode -> Equalsが走る C#の文字列の中身はUTF16で、つまりbyte[]的なもの GetHashCodeで全探索して算出、Equalsで全数比較 文字列が長ければ長いほどインパクトがあることは頭に留めたい 例えばint IDに変換して代替できるなら、そのほうがずっと良い Enumは重い Enumは実態は数値型で生で扱う場合は超軽量ですが それ以外は重めの処理が入りがちなので注意 特にUnityではDictionaryのKeyに使うとボクシングが発生……

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文字列は重い Dictionaryの仕組みとして取得時にGetHashCode -> Equalsが走る C#の文字列の中身はUTF16で、つまりbyte[]的なもの GetHashCodeで全探索して算出、Equalsで全数比較 文字列が長ければ長いほどインパクトがあることは頭に留めたい 例えばint IDに変換して代替できるなら、そのほうがずっと良い Enumは重い Enumは実態は数値型で生で扱う場合は超軽量ですが それ以外は重めの処理が入りがちなので注意 特にUnityではDictionaryのKeyに使うと都度ボクシングが発生……

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Chapter2: JIT Hack

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C# IL C++ JIT ASM

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ILは大事だが全てではない 最初に意識すべきことは、C#はコンパイルされると、 どのようなILに変化するか しかし速度的な真の終着点は、どのようなASMで実行されるか CLRの場合はJITコンパイラ、Unityの場合はIL2CPPの結果が大事 ほとんどの場合は素直な結果になりますが、 時々最適化が走ってILとは異なる結果になる場合もある (EqualityComparer.Defaultのdevirtualizationなどもそう)

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インライン化はかなり効くのでうまく使いたい

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Chapter3: IL Hack

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C#は油断するとすぐに「何か」を生成する C#の便利機能のほとんどが暗黙的な(クラス)生成で成り立っている C#erはGeneration 0のGCは無料だとマントラを唱えていた しかしそれは幻想であり、現実無料ではない 更に言えば現状のUnityは世代別GCではないのでより高コスト 高速化の基本原則はアロケーションを最小限にすること よし、便利機能は避けよう しかし便利機能と思っていなくても分かりにくい罠も存在する

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メソッドの直接渡しは暗黙的デリゲート生成 public class Foo { public void Bar() { // これは ThreadPool.QueueUserWorkItem(RunInThreadPool); // これに等しい ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(RunInThreadPool)); } void RunInThreadPool(object _) { Console.WriteLine("foo"); } }

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可能ならフィールドにキャッシュで回避する public class Foo { // もしstaticだったり、インスタンスメソッドでも何度も使うようなものなら // フィールドにキャッシュしてあげるのが良い(ラムダ式の非クロージャの場合はそれを自動で行ってくれる) static readonly WaitCallback CallBack = RunInThreadPool; public void Bar() { ThreadPool.QueueUserWorkItem(CallBack); } static void RunInThreadPool(object _) { Console.WriteLine("foo"); } }

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Actionの使い方 public int X; public void Bar() { // 「インスタンス変数」などを使いたい場合staticなキャッシュは使えない // しかし勿論これではデリゲートを生成してしまっている ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ => Nanikasuru()); } void Nanikasuru() { Console.WriteLine("Nanika Suru:" + X); }

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static readonly WaitCallback CallBack = RunInThreadPool; public int X; public void Bar() { // Actionのstateはそのためにある、thisを入れるのが頻出パターン。 // これはキャッシュされたデリゲートを使うためゼロアロケーション ThreadPool.QueueUserWorkItem(CallBack, this); } static void RunInThreadPool(object state) { // stateからthisを引っ張ることでインスタンスメソッドを呼び出せる var self = (Foo)state; self.Nanikasuru(); } void Nanikasuru() { Console.WriteLine("Nanika Suru:" + X); }

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ラムダ式のキャプチャ static void Run(List list, string format) { // ラムダ式のキャプチャ(外側の変数を中で使うこと)は暗黙的なクラス生成が入る // 以下のようなコードが生成されるので、クラスとデリゲートの二つがアロケート対象。 // var capture = new { format }; // new Action(capture.Run); list.ForEach(x => { Console.WriteLine(string.Format(format, x)); }); }

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ラムダ式のキャプチャ static void Run(List list, string format) { // ラムダ式のキャプチャ(外側の変数を中で使うこと)は暗黙的なクラス生成が入る // 以下のようなコードが生成されるので、クラスとデリゲートの二つがアロケート対象。 // var capture = new { format }; // new Action(capture.Run); list.ForEach(x => { Console.WriteLine(string.Format(format, x)); }); }

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static void Run(List list, string format, bool cond) { // does not use lambda, but... if (cond) { Console.WriteLine("Do Nothing"); return; } // use capture path list.ForEach(x => { Console.WriteLine(string.Format(format, x)); }); }

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static void Run(List list, string format, bool cond) { // does not use lambda, but... if (cond) { Console.WriteLine("Do Nothing"); return; } // use capture path list.ForEach(x => { Console.WriteLine(string.Format(format, x)); }); }

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static void Run(List list, string format, bool cond) { if (cond) { Console.WriteLine("Do Nothing"); return; } // キャプチャが存在するメソッドを分けることで回避 RunCore(list, format); } static void RunCore(List list, string format) { list.ForEach(x => { Console.WriteLine(string.Format(format, x)); }); }

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文字列の連結はString.Concatに化ける ループなど複数回連結が発生するならStringBuilder 全て+で繋ぎきれるなら+で繋げてしまうのが良い static void Foo(string a, string b, string c, string d) { // 以下の形に変換される // var z = string.Concat(a, b, c, d); var z = a + b + c + d; }

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static void Foo(string a, int b, string c) { var z = a + b + c; }

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static void Foo(string a, int b, string c) { var z = a + b + c; }

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static void Foo(string a, int b, string c) { var z = a + b.ToString() + c; }

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Chapter4: Binary Hack

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Chapter5: async/await Hack

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Chapter6: MetaProgramming Hack

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Conclusion

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C#の言語的なポテンシャルは高い フレームワークやライブラリも揃いつつあり、 確かなパフォーマンスを示せている CPU拡張命令を利用した高速化への対応も UnityはBurst Compiler .NET CoreではSystem.Runtime.Intrinsicsなどで対応しつつある C#の言語的なポテンシャルは高い Linuxでの安定動作も含めて、いよいよ道具が揃いつつあり 真のC#元年の幕開けといっても過言ではない

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OSSライブラリの開発と公開 C#を最前線で戦える言語にしていくため武器を磨く 最高のパフォーマンスで基盤を固め、余力を作り出す 現実世界で実証する 技術とプロダクトは両輪、何事も実証とともにあるべき C#のへの投資が優れた結果を生み出せることを証明していく 緩やかな連合の形成 C#には情報がない、ではなく軸にして公開して協力していく 向かうべき視線は世界!と、堂々と行きましょう