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非同期プログラミングとは? 対 同期プログラミング

Alex Johnson
Alex Johnson

Senior Web Scraping Engineer

30-Oct-2024

ウェブアプリケーションがより動的かつデータ駆動型になるにつれて、複数のタスクを同時に効率的に処理することが不可欠になりました。非同期プログラミングは、アプリケーションが多くのタスクを同時に管理できるようにすることで、現代のソフトウェア設計において重要な役割を果たし、速度低下を防ぎます。非同期プログラミングの基礎、イベント駆動型アーキテクチャ、および並行処理を掘り下げることで、開発者はアプリケーションの速度とパフォーマンスの両方を向上させることができます。

この記事では、非同期プログラミングの仕組み、同期プログラミングとの違い、および現実世界のアプリケーションでの適用方法について説明します。また、PythonやJavaScriptなどの一般的な言語における非同期フレームワークを使用した実用的な実装についても見ていきます。

非同期プログラミングと同期プログラミングとは?

非同期プログラミングを掘り下げる前に、同期プログラミングとの違いを理解しましょう。同期プログラミングは、順次または「一度に一つ」のアプローチに従います。同期プログラムの各タスクは、前のタスクが完了するまで待機する必要があり、特にファイルの読み込み、ネットワーク要求、データベースとのやり取りなど、I/Oバウンドタスクの場合、パフォーマンスが低下する可能性があります。Pythonでの同期コードフローの簡単な例を以下に示します。

python Copy
import time

def task_one():
    time.sleep(2)
    return "Task one completed."

def task_two():
    time.sleep(2)
    return "Task two completed."

# 順次実行
print(task_one())
print(task_two())

この場合、task_two()task_one()が完了するまで開始できず、プログラムが不必要に遅くなります。

一方、非同期プログラミングでは、複数のタスクを同時に実行できます。非同期プログラムは、各タスクが完了するまで待つのではなく、タスクを開始し、他の作業に進みます。タスクが完了すると、プログラムは結果を取得し、より効率的なワークフローを実現します。Pythonのasyncioライブラリを使用したコードの非同期バージョンを以下に示します。

python Copy
import asyncio

async def task_one():
    await asyncio.sleep(2)
    return "Task one completed."

async def task_two():
    await asyncio.sleep(2)
    return "Task two completed."

# asyncioによる同時実行
async def main():
    results = await asyncio.gather(task_one(), task_two())
    print(results)

# メインイベントループの実行
asyncio.run(main())

この例では、task_onetask_twoが同時に実行され、合計実行時間が短縮され、効率が向上します。

非同期プログラミングが重要な理由

現代のアプリケーションは、膨大な量のデータを処理し、データベース、API、その他のサービスに対して複数の同時要求を行うため、同期プログラミングは単にスケーラブルではありません。非同期プログラミングにより、アプリケーションは高トラフィックと大量のデータ量をより効率的に処理できるようになり、以下を実現できます。

  • 非ブロッキング操作: 素早い応答時間を維持し、ユーザーエクスペリエンスを向上させるために重要です。
  • リソース使用量の向上: アプリケーションは、複数のタスクを同時に管理することで、CPUとメモリの使用量を最大限に活用できます。
  • スケーラブルなアプリケーション: 非同期プログラミングは、Webサーバー、金融ソフトウェア、リアルタイムシステムなど、迅速なデータ処理を必要とするアプリケーションのスケーラビリティに不可欠です。

Async/Awaitによるイベント駆動型アーキテクチャ

非同期プログラミングの重要な要素の一つがイベント駆動型アーキテクチャです。イベント駆動型システムは、ユーザー操作、センサー出力、メッセージなど、イベントに反応して非ブロッキングI/O操作を実行します。このアプローチは、async/await構文により、開発者が非同期コードを同期スタイルで記述できるようになり、よりシンプルで可読性が高くなっています。

イベント駆動型アーキテクチャでは、メインプログラムはイベント発生を待機する「リスナー」を設定し、イベントが発生すると、プログラムは非同期的に処理します。このモデルは、複数のイベントを同時に処理し、遅延を発生させずに、非常に効率的です。

async/awaitを使用して受信したHTTPリクエストを処理するWebサーバーを考えてみましょう。各リクエストが非同期的に実行されるため、サーバーは1つのタスクが完了するまで待機してブロックしません。代わりに、サーバーは複数のリクエストを同時に処理するため、高トラフィックをより効率的に処理できます。

以下は、asyncioaiohttpライブラリを使用したPythonの非同期HTTPサーバーの例です。

python Copy
from aiohttp import web
import asyncio

async def handle_request(request):
    await asyncio.sleep(1)  # 非ブロッキングI/Oタスクをシミュレート
    return web.Response(text="Hello, world!")

app = web.Application()
app.router.add_get('/', handle_request)

web.run_app(app)

この設定により、サーバーは多数のリクエストを同時に管理できるため、応答時間が短縮され、スケーラビリティが向上します。

並行処理:Node.jsとPythonのAsyncioを使用した複数のリクエストの実行

並行処理は、プログラムがイベントループを通じて複数のタスクを効率的に管理することで、複数のタスクを同時に実行できるようにします。非同期プログラミングでは、イベントループは、複数のタスクを、I/Oバウンドタスクをバックグラウンドで実行するように委任することで、他のタスクのためにリソースを解放し、管理します。並行処理の一般的な環境には、Node.jsとPythonのasyncioがあります。

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Node.jsでの並行処理

V8 JavaScriptエンジンを基盤とするNode.jsは、単一スレッドのイベントループを使用しており、非同期操作に最適です。Node.jsは、非ブロッキングI/Oとコールバック関数を用いて、スレッドをブロックする可能性のあるタスクを処理し、高並行性を必要とするアプリケーションに適した選択肢となっています。

javascript Copy
const http = require('http');

const server = http.createServer((req, res) => {
  setTimeout(() => {
    res.writeHead(200, {'Content-Type': 'text/plain'});
    res.end('Hello, world!');
  }, 1000);  // setTimeoutによる非ブロッキングI/O
});

server.listen(8080, () => {
  console.log('Server running at http://127.0.0.1:8080/');
});

PythonのAsyncioでの並行処理

Pythonのasyncioライブラリを使用すると、複数のタスクを同時に処理できるイベントループを活用することで、開発者は同時タスクを実行できます。Pythonのasync/await構文は、特にここで役立ち、ネットワークリクエストなどのタスクをプログラムのフローをブロックせずに処理できます。

以下は、複数のAPI呼び出しを同時に処理するPythonのasyncioの例です。

python Copy
import asyncio
import aiohttp

async def fetch_data(url):
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        async with session.get(url) as response:
            return await response.text()

async def main():
    urls = ['http://example.com/data1', 'http://example.com/data2', 'http://example.com/data3']
    tasks = [fetch_data(url) for url in urls]
    results = await asyncio.gather(*tasks)
    print(results)

asyncio.run(main())

このコードは、3つのURLから同時にデータを取得します。1つのリクエストがサーバーの応答を待機している間も、イベントループは他のリクエストの処理を続行するため、プログラムの効率が最大化されます。

非同期プログラミングを効果的に実装する方法

非同期プログラミングの実装には、計画が必要です。特定のタスクは、他のタスクよりも非同期実行に適しています。心に留めておくべきヒントをいくつか紹介します。

  1. I/Oバウンドタスクを特定する: 非同期プログラミングは、ネットワーク要求、ファイルI/O、データベースクエリなど、待機を伴うタスクに最も効果的です。
  2. 非同期ライブラリを使用する: PythonのHTTPリクエスト用のaiohttpやNode.jsのファイル処理用のfsモジュールなど、多くのライブラリが非同期操作をサポートしています。これらのライブラリを使用すると、パフォーマンスが向上し、非同期フレームワークとの互換性が確保されます。
  3. エラー処理: 非同期プログラミングでのエラー処理は、同期コードよりも複雑になる可能性があります。特に、タスクが順番に完了しない場合です。各非同期タスク内で例外処理を行うことで、エラーがプログラム全体に影響を与えないようにします。

まとめ

非同期プログラミングは、高パフォーマンスと応答性を確保しながら、複数のタスクを同時に処理する必要がある最新のアプリケーションにとって不可欠なものとなっています。同期プログラミングと非同期プログラミングの違い、イベント駆動型アーキテクチャ、および並行処理を理解することで、開発者はよりスケーラブルなアプリケーションを構築できます。

リアルタイムWebサーバーの構築、複数のAPIリクエストの処理、データ処理の最適化など、非同期プログラミング技法を採用することで、アプリケーションの速度、スケーラビリティ、リソース使用量を大幅に向上させることができます。さらに詳しく調べていくうちに、JavaScript用のNode.jsやPython用のasyncioなどのフレームワークは、効率的な非同期システムを構築するための堅牢なソリューションを提供します。

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