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Javaにおけるアクティブオブジェクトパターン：効率的な非同期処理の実現

並行処理非同期非同期化メッセージング同期化スレッド管理約4分

アクティブオブジェクトデザインパターンの目的

アクティブオブジェクトパターンは、Javaにおける非同期処理のための信頼性の高い方法を提供し、応答性の高いアプリケーションと効率的なスレッド管理を保証します。これは、独自のthreadとメッセージキューを持つオブジェクト内にタスクをカプセル化することで実現されます。この分離により、メインスレッドの応答性を維持し、直接的なスレッド操作や共有状態へのアクセスなどの問題を回避します。

実例を用いたアクティブオブジェクトパターンの詳細な説明

実世界の例

客がウェイターに注文を出す忙しいレストランを考えてみましょう。ウェイターが自ら厨房に行って料理を作る代わりに、注文を伝票に書いてディスパッチャーに渡します。ディスパッチャーは、料理を非同期的に作るシェフのプールを管理します。シェフが空くと、キューから次の注文を取り上げ、料理を作り、準備ができたことをウェイターに通知します。

このアナロジーでは、ウェイターはクライアントスレッド、ディスパッチャーはスケジューラ、シェフは別スレッドでのメソッド実行を表しています。この設定により、ウェイターは料理の準備プロセスによってブロックされることなく注文を取り続けることができ、アクティブオブジェクトパターンがメソッドの呼び出しと実行を分離して並行性を高めるのと同様に機能します。

簡単に言うと

アクティブオブジェクトパターンは、マルチスレッドアプリケーションにおける並行性と応答性を向上させるために、メソッドの実行とメソッドの呼び出しを分離します。

Wikipediaによると

アクティブオブジェクトデザインパターンは、それぞれが独自の制御スレッドを持つオブジェクトについて、メソッドの実行とメソッドの呼び出しを分離します。[1] 目的は、非同期メソッド呼び出しとリクエスト処理のためのスケジューラを使用して、並行性を導入することです。

このパターンは6つの要素で構成されます

  • プロキシ：公開されているメソッドでクライアントへのインターフェースを提供します。
  • インターフェース：アクティブオブジェクトに対するメソッドリクエストを定義します。
  • クライアントからの保留中のリクエストのリスト。
  • スケジューラ：次にどのリクエストを実行するかを決定します。
  • アクティブオブジェクトメソッドの実装。
  • クライアントが結果を受け取るためのコールバックまたは変数。

Javaにおけるアクティブオブジェクトのプログラミング例

このセクションでは、アクティブオブジェクトデザインパターンがJavaでどのように機能するかを説明し、非同期タスク管理と並行制御におけるその使用方法を強調します。

オークは、その野性と飼いならせない魂で知られています。以前の行動に基づいて、独自の制御スレッドを持っているようです。独自の制御スレッドメカニズムを持ち、APIのみを公開し、実行自体を公開しないクリーチャーを実装するには、アクティブオブジェクトパターンを使用できます。

public abstract class ActiveCreature {
    private final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(ActiveCreature.class.getName());

    private BlockingQueue<Runnable> requests;

    private String name;

    private Thread thread;

    public ActiveCreature(String name) {
        this.name = name;
        this.requests = new LinkedBlockingQueue<Runnable>();
        thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (true) {
                    try {
                        requests.take().run();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        logger.error(e.getMessage());
                    }
                }
            }
        }
        );
        thread.start();
    }

    public void eat() throws InterruptedException {
        requests.put(new Runnable() {
                         @Override
                         public void run() {
                             logger.info("{} is eating!", name());
                             logger.info("{} has finished eating!", name());
                         }
                     }
        );
    }

    public void roam() throws InterruptedException {
        requests.put(new Runnable() {
                         @Override
                         public void run() {
                             logger.info("{} has started to roam the wastelands.", name());
                         }
                     }
        );
    }

    public String name() {
        return this.name;
    }
}

`ActiveCreature`クラスを拡張するクラスは、メソッドを呼び出して実行するための独自の制御スレッドを持つことがわかります。

例えば、`Orc`クラス

public class Orc extends ActiveCreature {

    public Orc(String name) {
        super(name);
    }
}

これで、オークなどの複数のクリーチャーを作成し、それらに食事と徘徊を指示すると、それらは独自の制御スレッドで実行されます。

public class App implements Runnable {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(App.class.getName());

    private static final int NUM_CREATURES = 3;

    public static void main(String[] args) {
        var app = new App();
        app.run();
    }

    @Override
    public void run() {
        List<ActiveCreature> creatures = new ArrayList<>();
        try {
            for (int i = 0; i < NUM_CREATURES; i++) {
                creatures.add(new Orc(Orc.class.getSimpleName() + i));
                creatures.get(i).eat();
                creatures.get(i).roam();
            }
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            logger.error(e.getMessage());
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            for (int i = 0; i < NUM_CREATURES; i++) {
                creatures.get(i).kill(0);
            }
        }
    }
}

プログラム出力

09:00:02.501 [Thread-0] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc0 is eating!
09:00:02.501 [Thread-2] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc2 is eating!
09:00:02.501 [Thread-1] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc1 is eating!
09:00:02.504 [Thread-0] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc0 has finished eating!
09:00:02.504 [Thread-1] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc1 has finished eating!
09:00:02.504 [Thread-0] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc0 has started to roam in the wastelands.
09:00:02.504 [Thread-2] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc2 has finished eating!
09:00:02.504 [Thread-1] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc1 has started to roam in the wastelands.
09:00:02.504 [Thread-2] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc2 has started to roam in the wastelands.

Javaでアクティブオブジェクトパターンを使用する場面

Javaでアクティブオブジェクトパターンを使用する場面

  • メインスレッドをブロックすることなく非同期タスクを処理し、パフォーマンスと応答性を向上させる必要がある場合。
  • 外部リソースと非同期的にやり取りする必要がある場合。
  • アプリケーションの応答性を向上させたい場合。
  • モジュール式で保守可能な方法で並行タスクを管理する必要がある場合。

アクティブオブジェクトパターンのJavaチュートリアル

Javaにおけるアクティブオブジェクトパターンの実用例

  • トランザクションリクエストが非同期的に処理されるリアルタイム取引システム。
  • 長時間実行タスクがユーザーインターフェースをフリーズすることなくバックグラウンドで実行されるGUI。
  • ゲームの状態やAI計算への同時更新を処理するゲームプログラミング。

アクティブオブジェクトパターンの利点とトレードオフ

Javaにおけるアクティブオブジェクトパターンの使用による利点とトレードオフ（スレッドセーフティの向上と潜在的なオーバーヘッドの問題を含む）について説明します。

利点

  • メインスレッドの応答性を向上させます。
  • オブジェクト内に並行処理に関する懸念事項をカプセル化します。
  • より良いコード構成と保守性を促進します。
  • スレッドセーフティを提供し、共有状態へのアクセスに関する問題を回避します。

トレードオフ

  • メッセージパッシングとスレッド管理による追加のオーバーヘッドが発生します。
  • すべての種類の並行処理問題に適しているとは限りません。
  • コマンド：アクティブオブジェクトパターンがメソッド呼び出しをカプセル化するのと同様に、リクエストをオブジェクトとしてカプセル化します。
  • Promise：非同期メソッド呼び出しの結果を取得する手段を提供し、多くの場合、アクティブオブジェクトと組み合わせて使用されます。
  • プロキシ：アクティブオブジェクトパターンは、プロキシを使用してメソッド呼び出しを非同期的に処理できます。

参考文献とクレジット

MITライセンス
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