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JavaにおけるHalf-Sync/Half-Asyncパターン：デュアル処理によるシステムパフォーマンスの向上

並行処理非同期疎結合同期スレッド管理約3分

別名

  • Async-Syncブリッジ
  • 半分同期/半分非同期

Half-Sync/Half-Asyncデザインパターンの意図

JavaにおけるHalf-Sync/Half-Asyncパターンは、並行システムにおける非同期処理と同期処理を分離し、効率とパフォーマンスを向上させることを目的としています。このパターンは、ソフトウェアシステムにおける複雑な並行操作の管理に特に役立ちます。

Half-Sync/Half-Asyncパターンの詳細な説明と実例

現実世界の例

忙しいレストランの厨房を想像してみてください。注文受付は非同期で行われ、ウェイターは作業を続けながら、シェフは各料理を同期的に調理します。同様に、Half-Sync/Half-Asyncパターンは、Javaアプリケーションにおける複数の非同期タスクと同期処理を効率的に処理します。一方、調理（同期部分）は特定の順序に従い、次の料理の準備を開始する前に各料理が調理されるのを待つ必要があります。この設定により、レストランは複数の顧客の注文を効率的に処理でき、各料理が必要な注意とタイミングで調理されるようにします。これは、Half-Sync/Half-Asyncパターンがソフトウェアシステムにおける非同期タスクと同期処理を管理するのとよく似ています。

平易な言葉で言うと

Half-Sync/Half-Asyncパターンは、イベントを待たずに処理する非同期タスクと、これらのイベントを整然としたブロッキング方式で処理する同期タスクに操作を分離します。

Wikipediaによると

Half-Sync/Half-Asyncデザインパターンは、アプリケーションの一部が同期的に実行され、別の部分が非同期的に実行され、2つのモジュールが互いに通信する必要がある状況を解決するために使用されます。

JavaにおけるHalf-Sync/Half-Asyncパターンのプログラム例

Half-Sync/Half-Asyncデザインパターンは、システム内の同期処理と非同期処理を分離する並行処理パターンであり、パフォーマンスに影響を与えることなくプログラミングモデルを簡略化します。これは、短時間、中時間、長時間のタスクが混在するシナリオで特に役立ちます。

提供されたJava実装では、App、AsynchronousService、ArithmeticSumTaskクラスでHalf-Sync/Half-Asyncパターンの例を見ることができます。

Appクラスはアプリケーションのエントリポイントです。AsynchronousServiceのインスタンスを作成し、それを使用してさまざまなタスクを非同期的に処理します。

public class App {

  public static void main(String[] args) {
    var service = new AsynchronousService(new LinkedBlockingQueue<>());
    service.execute(new ArithmeticSumTask(1000));
    service.execute(new ArithmeticSumTask(500));
    service.execute(new ArithmeticSumTask(2000));
    service.execute(new ArithmeticSumTask(1));
    service.close();
  }
}

AsynchronousServiceクラスは、システムの非同期部分です。タスクのキューを管理し、別のスレッドで処理します。

public class AsynchronousService {
  // Implementation details...
}

ArithmeticSumTaskクラスは、非同期的に処理できるタスクを表します。プリプロセッシング、ポストプロセッシング、およびエラー処理のためのメソッドを定義するAsyncTaskインターフェースを実装します。

static class ArithmeticSumTask implements AsyncTask<Long> {
  private final long numberOfElements;

  public ArithmeticSumTask(long numberOfElements) {
    this.numberOfElements = numberOfElements;
  }

  @Override
  public Long call() throws Exception {
    return ap(numberOfElements);
  }

  @Override
  public void onPreCall() {
    if (numberOfElements < 0) {
      throw new IllegalArgumentException("n is less than 0");
    }
  }

  @Override
  public void onPostCall(Long result) {
    LOGGER.info(result.toString());
  }

  @Override
  public void onError(Throwable throwable) {
    throw new IllegalStateException("Should not occur");
  }
}

これはAppクラスのmain関数です。

public static void main(String[] args) {
    
    var service = new AsynchronousService(new LinkedBlockingQueue<>());

    service.execute(new ArithmeticSumTask(1000));

    service.execute(new ArithmeticSumTask(500));
    service.execute(new ArithmeticSumTask(2000));
    service.execute(new ArithmeticSumTask(1));

    service.close();
}

この例では、AppクラスはAsynchronousServiceにタスクをエンキューし、AsynchronousServiceはそれらを非同期的に処理します。ArithmeticSumTaskクラスは、プリプロセッシング、実際の処理、およびポストプロセッシングステップを含む、処理されるタスクを定義します。

コードを実行すると、次の出力が得られます。

10:56:33.922 [pool-1-thread-4] INFO com.iluwatar.halfsynchalfasync.App -- 1
10:56:34.425 [pool-1-thread-2] INFO com.iluwatar.halfsynchalfasync.App -- 125250
10:56:34.925 [pool-1-thread-1] INFO com.iluwatar.halfsynchalfasync.App -- 500500
10:56:35.925 [pool-1-thread-3] INFO com.iluwatar.halfsynchalfasync.App -- 2001000

これはHalf-Sync/Half-Asyncパターンの基本的な例であり、タスクはエンキューされて非同期的に処理される一方、メインスレッドは他のタスクの処理を続けます。

JavaでHalf-Sync/Half-Asyncパターンを使用する場合

次のようなシナリオでHalf-Sync/Half-Asyncパターンを使用します。

  • Javaの標準ライブラリや、同時接続を管理するネットワークサーバーなど、高いパフォーマンスと効率的な並行処理が不可欠な場合。
  • システムが非同期処理と同期処理の間でタスクをバランスさせるためにマルチコアアーキテクチャを効果的に活用する必要がある場合。
  • 設計と実装を簡略化するために、非同期タスクと同期処理の分離が必要な場合。

JavaにおけるHalf-Sync/Half-Asyncパターンの現実世界での応用

  • Half-Sync/Half-Asyncパターンは、BSD Unixネットワーキング、Real-Time CORBA、AndroidのAsyncTaskフレームワークなど、さまざまなフレームワークやシステムで利用されています。
  • Javaの標準ライブラリは、並行処理ユーティリティ（例：java.util.concurrent）でスレッドプールと実行キューを使用してこのパターンを利用しています。
  • IO操作が非同期的に処理され、リクエストの処理が同期的に行われる同時接続を処理するネットワークサーバー。

Half-Sync/Half-Asyncパターンの利点とトレードオフ

利点

  • このパターンは、ブロッキング操作を非ブロッキング操作から分離することでシステムの応答性とスループットを向上させ、Javaの並行処理において価値のあるデザインパターンとなります。
  • 非同期処理レイヤーと同期処理レイヤーを分離することで、プログラミングモデルを簡略化します。

トレードオフ

  • 2つの異なる処理モードを管理する際に複雑さが増します。
  • 同期部分と非同期部分の間でボトルネックを回避するために、慎重な設計が必要です。
  • リーダー/フォロワー：どちらのパターンもスレッド割り当てと並行処理を管理しますが、リーダー/フォロワーはすべてのI/Oイベントを処理する単一のスレッドを使用し、他のスレッドに作業をディスパッチします。
  • プロデューサー/コンシューマー：非同期部分と同期部分の間で作業キューを管理するために、Half-Sync/Half-Asyncと統合できます。
  • リアクター：ハンドラーをブロックせずにサービスハンドラーに配信される複数のサービスリクエストを処理するために、Half-Sync/Half-Asyncとよく併用されます。

参考文献とクレジット

MITライセンス
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