同期プログラミングと非同期プログラミング

導入

同期プログラミングモデルと非同期プログラミングモデルのどちらを選ぶかは、ソフトウェア開発における単なる技術的な問題ではありません。アプリケーションの連携、タスクの完了、ユーザー入力への応答方法にも影響します。特に2つのパラダイムを比較する場合、適切なモデルの選択がプロジェクトの成否を左右する可能性があることに留意してください。この記事の目的は、同期プログラミングと非同期プログラミングを明確に区別し、それぞれのメリット、デメリット、ベストプラクティスを説明することで、これらの概念を取り巻く混乱を解消することです。それぞれの戦略を徹底的に理解することで、開発者は賢明な判断を下し、アプリケーションのニーズに合わせてアプローチを調整することができます。.

並行プログラミングを理解する

並行プログラミングとは何ですか?

並行プログラミングでは、タスクは順番に実行されます。本のように、最初から読み始めて、各単語や行を読み進めていきます。並行プログラミングでは、次のタスクを開始する前に、各タスクを完了する必要があります。制御フローは予測可能でシンプルです。.

タスクの実行に時間がかかりすぎると、システムが停止したり、応答しなくなったりすることがあります。ブロッキング動作は、並行プログラミングの顕著な特徴の1つです。.

どのように機能しますか?

並行プログラミングモデルは、操作を線形に進めます。このプロセスは次のように簡略化されます。

• プログラムは順次実行されます。.
• タスクはコードの順序に従って実行されます。.
• コードの各行は上から下へ実行されます。.

大きなファイルの読み取りや人間の入力待ちなど、タスクに長時間かかる場合、プログラムはタスクが完了するまでブロックされます。並行プログラミングではブロックが発生します。.

並行プログラミングが際立つユースケース

並行プログラミングは、タスクを特定の順序で実行する必要があるシナリオで特に役立ちます。例えば、ケーキを焼く場合、材料を混ぜ合わせた後でオーブンに入れることはできません。同様に、アプリケーションでは、処理する前にデータベースからデータを取得する必要がある場合があります。.

例: ファイルを順番に読み込む

以下は、ファイルの読み取りのコンテキストで並行プログラミングがどのように機能するかを示す例です。

function readFilesSequentially(fileList) {
for each file in fileList {
content = readFile(file) // This is a blocking operation
process(content)
}
}

この擬似コードでは、関数 readFile(ファイル) これは同期操作です。関数 プロセス（コンテンツ） それまで readFile(ファイル) ファイルの読み取りがまだ完了していないため、実行されません。これは、並行プログラミングにおけるシーケンシャル性とブロッキング性を明確に示しています。.

非同期プログラミングのレビュー

非同期プログラミングとは何ですか?

非同期プログラミングとは、タスクを順番に実行するのではなく、並行して実行することを可能にするパラダイムです。つまり、プログラムの実行は、あるタスクが完了するまで待たずに次のタスクに移ることになります。まるでビュッフェにいるようなもので、誰かが食事を終えるまで待つ必要はありません。.

非同期プログラミングでは、タスクは開始されると、他のタスクの実行のために一時的に保留されることがよくあります。メインタスクが完了すると、中断したところから再開できます。この非ブロッキング性は、非同期プログラミングの重要な特徴の一つです。.

どのように機能しますか?

同時実行: 非同期プログラミングの主な特徴の一つは、複数のタスクを並行して実行できることです。これは、特にタスクが独立している場合や、ネットワークリクエストなどの外部リソースを待機する必要がある場合など、アプリケーションの効率とパフォーマンスを大幅に向上させることができます。.

非ブロッキング性: 非同期プログラミングは、I/O操作などの長時間実行タスクを待機しないため、プログラムの他の部分をブロックしません。ユーザーインターフェースプログラミングでは、これによりユーザーエクスペリエンスと応答性が向上します。.

非同期プログラミングを使用するべきユースケース

I/O依存のタスクは、多くの場合非同期的にプログラムされます。Web開発では、非同期タスクを使用することで、メインスレッドを中断することなく、APIリクエストの送信、データベースへのアクセス、ユーザー入力の処理を行うことができます。.

例: 擬似コードを使用した Web 開発における AJAX リクエスト

非同期プログラミングは、Web開発においてAJAXリクエストを送信するために使用できます。次の例をご覧ください。

function fetchAndDisplayData(url) {
// This is a non-blocking operation
data = asyncFetch(url);
data.then((response) => {
// This code will run once the data has been fetched
displayData(response);
});
}

上記の擬似コードでは、関数 asyncFetch(url) これは非同期操作です。関数 表示データ(応答) それまで asyncFetch(url) プロセスはデータの受信を完了していないため、実行されていません。その間、他のコードはバックグラウンドで実行を継続でき、非同期プログラミングの非ブロッキング性を実証しています。.

非同期プログラミングと同期プログラミングの比較

パフォーマンス、プログラム実行、および実行時間の観点から見た同期プログラミングと非同期プログラミングの違いは次のとおりです。

プログラム実行

同時に： 並行システムでは、タスクは順番に実行されます。その結果、制御フローの予測と実装が容易になります。.

非同期: 非同期環境では、タスクを並行して実行できます。つまり、ソフトウェアは1つのタスクが完了するまで待たずに次のタスクに進むことができます。.

パフォーマンス

同時に： 同時実行では、タスクの完了に時間がかかりすぎると、システム全体がフリーズしたり、応答しなくなったりする可能性があります。.

非同期: 非同期プログラミングの非ブロッキング特性により、特にユーザー インターフェイス開発のコンテキストでは、応答性が高くシームレスなユーザー エクスペリエンスが実現します。.

プログラムの機会

同時に： 事前に決められた順序で手順を実行する必要がある状況に最適です。.

非同期: タスクは、CPU 依存ではなく I/O 依存である場合に非同期とみなされます。.

非同期プログラミングを使用する場合

• Web ベースのアプリケーション: メインスレッドが中断されるのを防ぐために、非同期タスクを使用して API リクエストなどの操作を実行できます。.
• データベース管理: データの読み取りおよび書き込み操作は時間がかかる場合があり、他のタスクを実行する前に完了する必要はありません。.
• ユーザーインターフェースプログラミング: 非同期プログラミングにより、ユーザー入力を処理するときに、より応答性の高いスムーズなユーザー エクスペリエンスを実現できます。.
• ファイルI/O操作: 一般に、時間のかかるファイル I/O 操作は、次のステップに進む前に終了する必要はありません。.

イベントループとコールスタック

JavaScriptで非同期コードを効果的に扱うには、イベントループとそのコールスタックを理解する必要があります。簡単に言うと、コールスタックはコードを順番に実行します。まず並行タスクが実行され、その後イベントループが非同期コード文を実行します。例えば、 タイムアウトの設定 または、コードを同期的に処理した後、API リクエストを処理します。.

このように、JavaScriptは技術的にはシングルスレッドであるにもかかわらず、同時に多くの処理を行っているように見えます。これらの非同期操作が実行されている間、イベントループはメインスレッドをブロックすることなく、すべてのデータがタイムリーに処理されることを保証します。.

イベント ループとコール スタックの相互作用を理解することで、より優れた非同期コードを記述し、UI のフリーズや極端に遅い相互作用などの一般的な問題を回避できます。.

Webワーカーを使用した非同期プログラミング

タスクを非同期的に管理するのに非常に便利な次のツールは ウェブワーカー Web Workersは、メインスレッドをブロックすることなくJavaScriptをバックグラウンドで実行できるため、パフォーマンス向上や、複雑な計算や大量のデータの取得といったタスクの実行に非常に役立ちます。Web Workersは真の並行性を実現し、負荷の高い処理を別のスレッドに委ね、メインスレッドで処理を継続できます。ただし、Web WorkersはDOMにアクセスできないため、直接的なUI更新を必要としないタスクに適している点に留意してください。.

Web Workers の使用方法の簡単な例を次に示します。

// In the main script
const worker = new Worker("./worker.js");
worker.postMessage("Start the task");
// In the worker script (worker.js)
onmessage = function (event) {
// Perform long-running task here
postMessage("Task done");
};

並行プログラミングを使用する場合

• データを順番に受信して処理します。 一部のアプリケーションでは、データベースからデータを取得することが、そのデータを処理するための前提条件となります。.
• 基本的なスクリプトの作成: 小さなスクリプトで作業する場合、並行プログラミングの方が理解しやすくデバッグも容易になります。.
• CPU依存のタスク: CPU に依存する負荷の高い操作を実行します。並行プログラミングは、I/O 依存のタスクよりも CPU 依存のタスクの方が効率的である場合があります。.

コードでの実践例

並行コードの例: タスクのリストを順番に処理する

並行プログラミングでは、タスクは順番に処理されます。Pythonの例を以下に示します。

import time
def process_userData(task):
# Simulate task processing time
time.sleep(1)
print(f"Task {task} processed")
tasks = ['task1', 'task2', 'task3']
for task in tasks:
process_userData(task)

この並行方式により、タスクは順次実行されます。 プロセスユーザーデータ 処理されます。タスクの完了に時間がかかる場合、後続のタスクは順次処理のために待機する必要があり、遅延が発生する可能性があります。この問題により、アプリケーションのパフォーマンスとユーザーエクスペリエンスが低下する可能性があります。.

非同期コード例: 複数のソースから同時にデータを受信する

対照的に、非同期プログラミングではタスクを並行して処理できます。以下はPythonでライブラリを使用した例です。 非同期 次のように与えられます:

import asyncio
async def retrieve_data(source):
# Simulate time taken to fetch data
await asyncio.sleep(1)
print(f"Data retrieved {source}")
sources = ['source1', 'source2', 'source3']
async def main():
tasks = retrieve_data(source) for source in sources]
await asyncio.gather(*tasks)
asyncio.run(main())

非同期メソッドは複数のプロセスを同時に開始します。これにより、アプリケーションは中断することなくタスク間を移動できます。これにより、アプリケーションのパフォーマンスとユーザーエクスペリエンスが向上します。ただし、タスクとコールバックの管理は実装を複雑にする可能性があります。.

console.log("Start"); // First task (synchronous) - goes to call stack
setTimeout(() => {
console.log("Timeout callback"); // This task(aysnchronous) is put into the event loop
}, 1000);
console.log("End"); // Second task (synchronous) - in call stack

呼び出しスタック:

関数 console.log('開始') これは同期操作であるため、最初に実行されます。関数は処理され、すぐにコールスタックから削除されます。.

関数 タイムアウトを設定する() これは非同期関数なので、コールバックは console.log('タイムアウトコールバック') これは遅延され、1秒（1000ミリ秒）後に実行されるイベントループに送られますが、それ自体は タイムアウトを設定する() コードの実行をブロックしません。.

それから console.log('終了') これはメインスレッド上での同時操作であるため実行されます。.

イベントループ:

同時実行タスク（ console.log('開始') そして console.log('終了')）が実行されると、イベントループは1秒間待機し、その後、 タイムアウトの設定 プロセス。.

コールバックの準備ができたら、イベント ループはそれをコール スタックにプッシュして実行します。 '「タイムアウトコールバック」' プリント。.

出力：

Start
End
Timeout callback

この例では、JavaScript が最初に同期タスクを実行し、メインの呼び出しスタックがクリアされた後にイベント ループを使用して非同期タスクを処理する方法を示します。.

各プログラミングモデルを効果的に使用するためのベストプラクティスとパターン

並行プログラミング

• シンプルさが重要な場合に使用します。 並行プログラミングはシンプルで理解しやすいため、単純なタスクやスクリプトに最適です。.
• I/O 依存のタスクではこれを避けてください。 並行プログラミングでは、I/O操作（ネットワークリクエストやディスクの読み取り/書き込みなど）を待機している間、実行中のスレッドがブロックされる可能性があります。このようなタスクでは、ブロックを回避するために非同期プログラミングを使用してください。.

非同期プログラミング

• I/O 依存のタスクに使用します。 非同期プログラミングは、I/O依存のタスクを扱う際に非常に効果的です。これにより、実行中のスレッドはI/O操作の完了を待つ間も、他のタスクの実行を継続できます。.
• 共通リソースに注意してください: 非同期プログラミングでは、複数のタスクが共有リソースにアクセスしたり変更したりする場合、競合状態が発生する可能性があります。この問題を回避するには、ロックやセマフォなどの同期メカニズムを使用します。.

一般的なデザインパターン

並行プログラミング

並行プログラミングで最も一般的なパターンは、タスクが次々に実行される順次実行パターンです。.

非同期プログラミング

• 約束: Promise は、まだ利用できない可能性のある値を表します。非同期操作を処理するために使用され、値が利用可能になったときやエラーが発生したときに呼び出されるコールバックをアタッチするためのメソッドを提供します。.
• 非同期/待機: この機能は、Promise の上に追加された一種の構文上のキャンディーのようなもので、非同期コードを同期コードに似たものにします。これにより、非同期コードの記述と理解が容易になります。.

よくある問題を回避する方法

コールバック地獄

«「コールバック地獄」とは、呼び出しのネストによってコードが読みにくくなり、理解不能になることを指します。これを回避する方法をいくつかご紹介します。

• コードをモジュール化します。 コードを小さく再利用可能な関数に分割します。.
• Promise または Async/Await の使用: これらの JavaScript 機能を使用すると、コードをクリーンアップして、読みやすく理解しやすいものにすることができます。.
• エラー処理: コールバックでは常にエラー処理を検討してください。処理されないエラーは予期しない結果につながる可能性があります。.

非同期プログラミング - メモリ管理

非同期プログラミングでメモリを効果的に管理する方法について、いくつかのヒントを紹介します。不適切な処理はメモリ リークなどのパフォーマンスの問題につながる可能性があります。.

非同期プログラミングにおけるメモリ管理

非同期コードを扱う際には、メモリの割り当て方法とクリーンアップ方法に注意を払うことが非常に重要です。これは、長時間実行されるタスクや未解決のPromiseに関係し、適切に管理されない場合、メモリリークにつながる可能性があります。.

ガベージコレクション

JavaScriptでは、メモリはガベージコレクタによって管理されます。ガベージコレクタは、プログラムで使用されなくなったメモリを自動的にクリーンアップします。しかし、非同期プログラミングでは、注意しないと必要以上のメモリが残ってしまう可能性があります。例えば、解決されないPromise、まだアタッチされているイベントリスナー、実行中のタイマーなどが、メモリの大部分を占めてしまう可能性があります。.

非同期コードにおけるメモリリークの一般的な原因

• 未解決の約束: プロミスが解決または拒否されない場合、メモリがクリーンアップされなくなる可能性があります。.

let pendingPromise = new Promise(function (resolve, reject) {
// This promise never resolves
});

• イベントリスナー: イベントリスナーは不要になったときに削除し忘れがちです。これは不要なメモリ消費につながります。.

element.addEventListener("click", handleClick);
// Forgetting to remove the listener
// element.removeEventListener('click', handleClick);

• タイマー: の使用 タイムアウトの設定 または 間隔の設定 不要になったときにクリアしないと、メモリが必要以上に長く保持される可能性があります。.

var timer = setInterval(function () {
console.log("Running.");
}, 1000);
// Forgetting to clear the interval
// clearInterval(timer);

メモリリークを防ぐためのベストプラクティス

• 約束、解決、または拒否: 不要になったときにメモリが解放されるようにするには、Promise を解決または拒否する必要があります。.

let myPromise = new Promise((resolve, reject) =>
setTimeout(() => {
resolve("Task complete");
}, 1000),
);
myPromise.then((result) => console.log(result));

• イベントリスナーの削除: イベント リスナーをアタッチしたら、対応する要素が削除されたか、その機能が不要になったために不要になった場合は、イベント リスナーを削除します。.

element.addEventListener("click", handleClick);
// Proper cleanup when no longer needed
element.removeEventListener("click", handleClick);

• クリアタイマー: もしから タイムアウトの設定 または 間隔の設定 これらを使用する場合は、不要なメモリ保持を避けるために、使用後は必ずクリーンアップしてください。.

var interval = setInterval(function () {
console.log('Doing something...');
}, 1000);
// Clear the interval when done
clearInterval(interval);

弱参照

もう一つの高度なテクニックは 弱マップ または 弱集合 これは、コード内で参照されなくなったオブジェクトをガベージコレクタによって自動的にクリーンアップされる可能性のあるオブジェクトを管理するためのものです。これらの構造体を使用することで、ガベージコレクタによるクリーンアップを妨げることなく、オブジェクトを参照できます。.

let myWeakMap = new WeakMap();
let obj = {};
myWeakMap.set(obj, "someValue");
// If obj gets dereferenced somewhere else, it will be garbage-collected.
obj = null;

結果

同期プログラミングモデルと非同期プログラミングモデルについて議論を終えた今、それぞれに特定の状況に適した独自の利点があることは明らかです。同期プログラミングは順次かつノンブロッキングで実行されるため、理解しやすく、線形に実行する必要があるタスクに最適です。.

一方、非同期プログラミングは、ノンブロッキング性と複数のタスクの同時実行能力を特徴としており、応答性とパフォーマンスが求められる場合、特にI/O依存の操作において最も効果的です。どちらのアプローチを使用するかは、アプリケーションのニーズ、パフォーマンスの問題、そして求めるユーザーエクスペリエンスに対する理解度に応じて異なります。.