【C#】async/await を完全に理解する

このサイトはプロモーションを含みます

2024年9月1日

C#でのプログラミングにおいて、非同期プログラミングは避けて通れない重要なトピックです。特に、async/awaitキーワードの登場により、非同期処理の実装が大幅に簡素化されました。この記事では、async/awaitの基本から応用まで、具体的な例を交えて詳しく解説します。これを読めば、あなたもasync/awaitをマスターできるはずです。

async/awaitとは

async/awaitは、C# 5.0で導入された非同期プログラミングのためのキーワードです。これらを使用することで、複雑な非同期処理を同期処理のように簡潔に記述することができます。

asyncキーワード：メソッドが非同期であることを示します。
awaitキーワード：非同期操作の完了を待機します。

なぜasync/awaitが必要なのか

非同期プログラミングは、以下のような状況で特に重要です：

ユーザーインターフェースの応答性を保つ
I/O操作（ファイル読み書き、ネットワーク通信など）の効率化
複数の長時間操作を並行して実行する

async/awaitを使用することで、これらの課題に対して、読みやすく保守しやすいコードで対応することができます。

async/awaitの基本的な使い方

まずは、async/awaitの基本的な使い方を見てみましょう。

using System;
using System.Threading.Tasks;

public class AsyncAwaitDemo
{
    public static async Task Main()
    {
        Console.WriteLine("Starting the task...");
        string result = await LongRunningTaskAsync();
        Console.WriteLine(result);
        Console.WriteLine("Task completed.");
    }

    private static async Task<string> LongRunningTaskAsync()
    {
        await Task.Delay(2000); // 2秒待機
        return "Task completed after 2 seconds.";
    }
}

このコードでは：

Mainメソッドがasyncキーワードでマークされています。これにより、このメソッド内でawaitを使用できます。
LongRunningTaskAsyncメソッドもasyncでマークされ、Task<string>を返します。
await Task.Delay(2000)で2秒間の遅延を模擬しています。
Mainメソッド内のawait LongRunningTaskAsync()は、非同期操作の完了を待ちます。

実行すると、以下のような出力が得られます：

Starting the task...
Task completed after 2 seconds.
Task completed.

async/awaitの動作原理

async/awaitの動作を理解するには、以下の点が重要です：

非ブロッキング操作：awaitキーワードは、メソッドの実行を一時停止しますが、スレッドをブロックしません。
状態機械の生成：コンパイラは、asyncメソッドを状態機械に変換します。
継続：awaitの後の処理は、非同期操作完了時の継続として実行されます。

以下の例で、これらの動作を確認してみましょう：

using System;
using System.Threading.Tasks;

public class AsyncAwaitExplanation
{
    public static async Task Main()
    {
        Console.WriteLine($"Main method started. Thread ID: {System.Threading.Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
        
        await Step1();
        await Step2();
        await Step3();
        
        Console.WriteLine($"Main method completed. Thread ID: {System.Threading.Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    }

    private static async Task Step1()
    {
        Console.WriteLine($"Step1 started. Thread ID: {System.Threading.Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
        await Task.Delay(1000);
        Console.WriteLine($"Step1 completed. Thread ID: {System.Threading.Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    }

    private static async Task Step2()
    {
        Console.WriteLine($"Step2 started. Thread ID: {System.Threading.Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
        await Task.Delay(1000);
        Console.WriteLine($"Step2 completed. Thread ID: {System.Threading.Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    }

    private static async Task Step3()
    {
        Console.WriteLine($"Step3 started. Thread ID: {System.Threading.Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
        await Task.Delay(1000);
        Console.WriteLine($"Step3 completed. Thread ID: {System.Threading.Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    }
}

このコードを実行すると、各ステップが順番に実行され、スレッドIDが出力されます。通常、すべての操作が同じスレッドで実行されますが、これは必ずしも保証されません。

async/awaitのベストプラクティス

例外処理: try-catchブロックを使用して、非同期操作中の例外を適切に処理します。

public static async Task ExceptionHandlingExample()
{
    try
    {
        await PotentiallyThrowingMethodAsync();
    }
    catch (Exception ex)
    {
        Console.WriteLine($"An error occurred: {ex.Message}");
    }
}

2.キャンセレーション: CancellationTokenを使用して、長時間実行される操作をキャンセル可能にします。

public static async Task CancellationExample(CancellationToken cancellationToken)
{
    try
    {
        await LongRunningTaskAsync(cancellationToken);
    }
    catch (OperationCanceledException)
    {
        Console.WriteLine("Operation was canceled.");
    }
}

private static async Task LongRunningTaskAsync(CancellationToken cancellationToken)
{
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        cancellationToken.ThrowIfCancellationRequested();
        await Task.Delay(1000, cancellationToken);
        Console.WriteLine($"Iteration {i + 1} completed.");
    }
}

3.並行処理: Task.WhenAllを使用して、複数の非同期操作を並行して実行します。

public static async Task ParallelExecutionExample()
{
    Task task1 = LongRunningTaskAsync("Task 1");
    Task task2 = LongRunningTaskAsync("Task 2");
    Task task3 = LongRunningTaskAsync("Task 3");

    await Task.WhenAll(task1, task2, task3);
    Console.WriteLine("All tasks completed.");
}

private static async Task LongRunningTaskAsync(string taskName)
{
    await Task.Delay(2000);
    Console.WriteLine($"{taskName} completed.");
}

4.戻り値の型: 可能な限りTaskまたはTask<T>を返すようにします。voidを返す非同期メソッドは例外処理が難しくなるため、避けるべきです。

// Good
public async Task GoodAsyncMethodAsync()
{
    await Task.Delay(1000);
}

// Avoid
public async void BadAsyncMethod()
{
    await Task.Delay(1000);
}

5.命名規則: 非同期メソッドの名前には「Async」サフィックスを付けます。

public async Task<string> GetDataAsync()
{
    // 非同期処理
}

async/awaitの注意点

デッドロック: UI スレッドでの.Resultや.Wait()の使用は避けましょう。代わりにawaitを使用してください。
パフォーマンス: 短時間で完了する操作に対しては、async/awaitのオーバーヘッドが無視できない場合があります。
同期コンテキスト: UI アプリケーションでは、ConfigureAwait(false)を使用して同期コンテキストへの復帰を避けることで、パフォーマンスを向上させることができます。

await SomeAsyncMethod().ConfigureAwait(false);

実践的な例：Web APIの呼び出し

最後に、async/awaitを使用して Web API を呼び出す実践的な例を見てみましょう。

using System;
using System.Net.Http;
using System.Threading.Tasks;

public class WebApiExample
{
    private static readonly HttpClient client = new HttpClient();

    public static async Task Main()
    {
        try
        {
            string result = await GetJsonAsync("https://api.example.com/data");
            Console.WriteLine(result);
        }
        catch (HttpRequestException e)
        {
            Console.WriteLine($"Error calling API: {e.Message}");
        }
    }

    private static async Task<string> GetJsonAsync(string url)
    {
        HttpResponseMessage response = await client.GetAsync(url);
        response.EnsureSuccessStatusCode();
        return await response.Content.ReadAsStringAsync();
    }
}

この例では：