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Javaにおけるイベントベース非同期パターン：ノンブロッキングシステム設計の習得

並行処理非同期デカップリングイベント駆動フォールトトレランスメッセージングリアクティブスケーラビリティ約4分

別名

  • 非同期イベント処理

イベントベース非同期設計パターンの目的

イベントベース非同期パターンは、完了までに時間がかかる可能性のあるタスクを、プログラムの実行をブロックすることなく処理できるようにします。これは、タスクの完了を待機している間にブロックされるスレッドを解放することにより、リソース利用率の向上を実現します。

イベントベース非同期パターン詳解：実例付き

現実世界の例

イベントベース非同期設計パターンの現実世界のアナロジーは、レストランの運営方法です。客が注文すると、ウェイターは注文を記録し、キッチンに渡します。ウェイターは、料理の準備をキッチンで待つ代わりに、他のテーブルの接客を続けます。キッチンが注文を完了すると、ウェイターに合図（イベント）を送信し、ウェイターは客に料理を提供します。これにより、ウェイターはアイドル待機することなく複数のタスクを効率的に処理できます。これは、非同期プログラミングがタスクを並列に処理する方法と似ており、全体的な効率と応答性を向上させます。

簡単に言うと

イベントベース非同期設計パターンでは、タスクをバックグラウンドで実行し、完了時にイベントを介してメインプログラムに通知することで、進行中の操作をブロックすることなく、システムの効率と応答性を向上させます。

Javaにおけるイベントベース非同期パターンのプログラミング例

イベントベース非同期設計パターンでは、タスクをバックグラウンドで実行し、完了時にイベントを介してメインプログラムに通知することで、進行中の操作をブロックすることなく、システムの効率と応答性を向上させます。

提供されたコードでは、このパターンを実装するいくつかの重要なクラスがあります。

  • App：アプリケーションを実行するメインクラス。EventManagerと連携して、イベントの作成、開始、停止、およびステータスの確認を行います。
  • EventManager：イベントのライフサイクルを管理します。これには、イベントの作成、開始、停止、およびステータスの確認が含まれます。イベントIDとEventオブジェクトのマップを保持します。
  • Event：イベントを表す抽象クラス。2つの具体的なサブクラスがあります：AsyncEventとSyncEvent。
  • AsyncEventとSyncEvent：それぞれ非同期イベントと同期イベントを表します。
  • カスタム例外：特定の条件が満たされない場合にEventManagerによってスローされます。

これらのクラスの相互作用方法の簡略化されたコード例を次に示します。

// Create an EventManager
EventManager eventManager = new EventManager();

// Create an asynchronous event that runs for 60 seconds
int asyncEventId = eventManager.createAsync(Duration.ofSeconds(60));

// Start the asynchronous event
eventManager.start(asyncEventId);

// Check the status of the asynchronous event
eventManager.status(asyncEventId);

// Stop the asynchronous event
eventManager.cancel(asyncEventId);

この例では、AppクラスがEventManagerを作成し、それを用いて非同期イベントの作成、開始、ステータスの確認、および停止を行います。EventManagerはAsyncEventオブジェクトを作成し、別のスレッドで開始し、そのステータスを確認し、要求されたときに停止します。

EventManagerクラスは、イベントベース非同期パターンの実装の中核です。イベントのライフサイクルを管理します。これには、イベントの作成、開始、停止、およびステータスの確認が含まれます。イベントIDとEventオブジェクトのマップを保持します。非同期イベントの作成方法のスニペットを次に示します。

public int createAsync(Duration runtime) throws MaxNumOfEventsAllowedException, LongRunningEventException {
  int id = counter.incrementAndGet();
  events.put(id, new AsyncEvent(id, runtime));
  return id;
}

Eventクラスは、イベントを表す抽象クラスです。2つの具体的なサブクラスがあります：AsyncEventとSyncEvent。Eventには、ID、実行時間（実行する時間）、およびステータス（実行中、完了、開始準備完了）があります。また、イベントの開始と停止を行うメソッドもあります。AsyncEventの開始方法のスニペットを次に示します。

@Override
public void start() {
  Thread thread = new Thread(() -> {
    try {
      handleRunStart();
      Thread.sleep(getRuntime().toMillis());
      handleRunComplete();
    } catch (InterruptedException e) {
      handleRunFailure(e.getMessage());
    }
  });
  thread.start();
}

このスニペットでは、AsyncEventが開始されると、メインスレッドをブロックすることなく、別々のスレッドで実行されます。

同期イベントは、非同期イベントと同様に作成および管理されます。同期イベントの作成と管理方法のスニペットを次に示します。

// Create an EventManager
EventManager eventManager = new EventManager();

// Create a synchronous event that runs for 60 seconds
int syncEventId = eventManager.create(Duration.ofSeconds(60));

// Start the synchronous event
eventManager.start(syncEventId);

// Check the status of the synchronous event
eventManager.status(syncEventId);

// Stop the synchronous event
eventManager.cancel(syncEventId);

EventManagerクラスでは、createメソッドを使用して同期イベントが作成されます。

public int create(Duration runtime) throws MaxNumOfEventsAllowedException, LongRunningEventException {
  int id = counter.incrementAndGet();
  events.put(id, new SyncEvent(id, runtime));
  return id;
}

SyncEventクラスは、同期イベントを表すEventのサブクラスです。SyncEventが開始されると、メインスレッドで実行され、イベントが完了するまでブロックします。SyncEventの開始方法のスニペットを次に示します。

@Override
public void start() {
  try {
    handleRunStart();
    Thread.sleep(getRuntime().toMillis());
    handleRunComplete();
  } catch (InterruptedException e) {
    handleRunFailure(e.getMessage());
  }
}

このスニペットでは、SyncEventが開始されると、メインスレッドで実行され、イベントが完了するまでブロックします。これは、メインスレッドをブロックすることなく別々のスレッドで実行されるAsyncEventとは対照的です。

これらは、このコードで実装されているイベントベース非同期設計パターンの重要な部分です。このパターンにより、タスクをバックグラウンドで実行し、完了時にイベントを介してメインプログラムに通知することで、進行中の操作をブロックすることなく、システムの効率と応答性を向上させることができます。

Javaでイベントベース非同期パターンを使用する場合

  • 複数のタスクを並列かつ独立して処理できる場合。
  • 応答性が要求され、操作の完了を待機しているスレッドをブロックできないシステム。
  • ユーザーインターフェースの応答性が重要なGUIアプリケーション。
  • 長時間のネットワーク操作が関係する分散システム。

Javaにおけるイベントベース非同期パターンの現実世界のアプリケーション

  • JavaのGUIライブラリ（例：JavaFX、Swing with SwingWorker）。
  • 非同期メッセージングを処理するためのJava Message Service（JMS）。
  • JavaのCompletableFutureとさまざまなイベント駆動型フレームワーク。

イベントベース非同期パターンの利点とトレードオフ

利点

  • アプリケーションのスケーラビリティと応答性を向上させます。
  • 単にI/O操作を待機するスレッドで無駄になるリソースを削減します。
  • プロセス実行の分離を通じてフォールトトレランスを強化します。

トレードオフ

  • エラーが異なるスレッドまたは異なる時間に発生する可能性があるため、エラー処理の複雑さが増します。
  • 非同期コード実行の非線形性により、コードの追跡とデバッグが困難になる可能性があります。
  • オブザーバー：発生するイベントにオブザーバーが反応する場合、しばしば併用されます。
  • パブリッシュ/サブスクライブ：特にコンポーネント間のメッセージングとイベント配信に関して、イベント処理メカニズムに関して関連性があります。
  • コマンド：アクションの実行またはイベントのトリガーに必要なすべての情報をカプセル化するために役立ちます。

参考文献と謝辞

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