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LogicLooper

.NET でのサーバーアプリケーションでループを使用したプログラミングモデルを実装するためのライブラリです。 主にサーバーサイドにロジックがあるゲームサーバーのようなユースケースにフォーカスしています。

例えば次のようなゲームループがある場合、これらを集約して素朴な Task による駆動よりも効率の良い形で動かす方法を提供します。

while (true)
{
    // 1フレームで行う処理いろいろ
    network.Receive();
    world.Update();
    players.Update();
    network.Send();
    // ...他の何か処理 ...

    // 次のフレームを待つ
    await Task.Delay(16);
}
using var looper = new LogicLooper(60);
await looper.RegisterActionAsync((in LogicLooperActionContext ctx) =>
{
    // 1フレームで行う処理いろいろ
    network.Receive();
    world.Update();
    players.Update();
    network.Send();
    // ...他の何か処理 ...

    return true; // 次のアップデート待ち
});

Table of Contents

インストール

PS> Install-Package LogicLooper
$ dotnet add package LogicLooper

使い方

一つのループ

一つの Looper は一つのスレッドを占有し、ループを開始します。その Looper に対して複数のループアクションを登録できます。 これはゲームエンジンの一フレームで複数の Update メソッドが呼び出されるようなものと似ています。

using Cysharp.Threading;

// 指定したフレームレートで Looper を起動します
const int targetFps = 60;
using var looper = new LogicLooper(targetFps);

// ループのアクションを登録して、完了を待機します
await looper.RegisterActionAsync((in LogicLooperActionContext ctx) =>
{
    // ループを完了するとき(もう呼ばれる必要がないとき)は `false` を返します
    if (...) { return false; }

    // 1フレームの何か処理 ...

    return true; // 次のアップデート待ち
});

LooperPool を使用した複数の Looper

例えば、サーバーに複数のコアがある場合は複数のループとスレッドをホストすることでより効率的に処理を行えます。 LooperPool は複数の Looper を束ね、それらの入り口となる API を提供します。この場合 Looper を直接操作する必要がありません。

using Cysharp.Threading;

// Looper のプールを作成します
// もし4コアのマシンであれば、LooperPool は4つの Looper のインスタンスを保持します
const int targetFps = 60;
var looperCount = Environment.ProcessorCount;
using var looperPool = new LogicLooperPool(targetFps, looperCount, RoundRobinLogicLooperPoolBalancer.Instance);

// ループのアクションを登録して、完了を待機します
await looperPool.RegisterActionAsync((in LogicLooperActionContext ctx) =>
{
    // ループを完了するとき(もう呼ばれる必要がないとき)は `false` を返します
    if (...) { return false; }

    // 1フレームの何か処理 ...

    return true; // 次のアップデート待ち
});

Microsoft.Extensions.Hosting との統合

samples/LoopHostingApp をご覧ください。IHostedService と組み合わせることでサーバーのライフサイクルなどを考慮した実装を行えます。

上級編

ユニットテスト / フレーム単位実行

LogicLooper と共にユニットテストを記述する場合やフレームを手動で更新したいような場合には ManualLogicLooper / ManualLogicLooperPool を利用できます。

var looper = new ManualLogicLooper(60.0); // `ElapsedTimeFromPreviousFrame` は `1000 / FrameTargetFrameRate` に固定されます

var count = 0;
var t1 = looper.RegisterActionAsync((in LogicLooperActionContext ctx) =>
{
    count++;
    return count != 3;
});

looper.Tick(); // Update frame
Console.WriteLine(count); // => 1

looper.Tick(); // Update frame
Console.WriteLine(count); // => 2

looper.Tick(); // Update frame (t1 が完了します)
Console.WriteLine(count); // => 3

looper.Tick(); // Update frame (実行するアクションはありません)
Console.WriteLine(count); // => 3

Coroutine

LogicLooper はコルーチンのような操作もサポートしています。Unity を利用したことがあればなじみのあるコルーチンパターンです。

using var looper = new LogicLooper(60);

var coroutine = default(LogicLooperCoroutine);
await looper.RegisterActionAsync((in LogicLooperActionContext ctx) =>
{
    if (/* ... */)
    {
        // コルーチンを現在のループアクションが実行されている Looper で起動する
        coroutine = ctx.RunCoroutine(async coCtx =>
        {
            // NOTE: コルーチンの中では `DelayFrame`, `DelayNextFrame`, `Delay` メソッドのみを待機(`await`)可能です
            // もし `Task` や `Task-like` をコルーチン内で `await` した場合、例外を送出します
            await coCtx.DelayFrame(60); // 60フレームを待つ

            // 何か処理 …

            await coCtx.DelayNextFrame(); // 次のフレームを待つ

            // 何か処理 …

            await coCtx.Delay(TimeSpan.FromMilliseconds(16.66666)); // 約16ミリ秒待つ (=1f)
        });
    }

    // コルーチンが終わったかどうかをチェックする
    if (coroutine != null && coroutine.IsCompleted)
    {
        // コルーチンが終わった場合、何か処理する…
    }

    return true;
});

TargetFrameRateOverride

アクションごとにフレームレートのオーバーライドが可能です。これは例えば大元のループは 30fps で動くことを期待しながらも、一部のアクションは 5fps で呼び出されてほしいといった複数のフレームレートを混在させたいケースで役立ちます。 ループを実行する Looper ごとにフレームレートを設定することもできますが LogicLooper のデザインは1ループ1スレッドとなっているため、原則としてコア数に準じた Looper 数を期待しています。アクションごとにフレームレートを設定することでワークロードが変化する場合でも Looper の数を固定できます。

using var looper = new LogicLooper(60); // 60 fps でループは実行する

await looper.RegisterActionAsync((in LogicLooperActionContext ctx) =>
{
    // Something to do ...
    return true;
}); // 60 fps で呼び出される


await looper.RegisterActionAsync((in LogicLooperActionContext ctx) =>
{
    // Something to do (低頻度) ...
    return true;
}, LooperActionOptions.Default with { TargetFrameRateOverride = 10 }); // 10 fps で呼び出される

注意点として大元のループ自体の実行頻度によってアクションの実行粒度が変わります。これは Looper のターゲットフレームレートよりも正確性が劣ることがあるということを意味します。

Experimental

async 対応ループアクション

ループアクションで非同期イベントを待機できる試験的なサポートを提供します。

SynchronizationContext を利用して、すべての非同期メソッドの継続はループスレッド上で実行されます。しかし非同期を待機するアクションは同期的に完了するアクションと異なり複数のフレームにまたがって実行されることに注意が必要です。

await looper.RegisterActionAsync(static async (ctx, state) =>
{
    state.Add("1"); // Frame: 1
    await Task.Delay(250);
    state.Add("2"); // Frame: 2 or later
    return false;
});

Warning

もしアクションが同期的に完了する場合 (つまり非同期メソッドであっても ValueTask.IsCompleted = true となる状況)、async ではないバージョンとパフォーマンスの差はありません。しかし await して非同期処理に対して継続実行する必要がある場合にはとても低速になります。この非同期サポートは低頻度の外部との通信を目的とした緊急ハッチ的な役割を提供します。高頻度での非同期処理を実行することは強く非推奨です。