ChatGPT製 C#クイズ sealed、Task/ValueTask、StringBuilder、ReadOnlySequence<T>について 2023/9/26
ChatGPT製 C#クイズ sealed、Task/ValueTask、StringBuilder、ReadOnlySequence<T>について 2023/9/26
C#の勉強のために、ChatGPTにC#に関するクイズを出してもらいました。
入力
C# 4択の上級クイズ いくつか出して 答えはまとめて末尾に書いて
返答
もちろん、C#に関する上級レベルの4択クイズをいくつか作成しました。
クイズ1:
sealed キーワードが付けられたクラスはどうなりますか？
クイズ2:
TaskとValueTaskの主な違いは何ですか？
Taskは非同期、ValueTaskは同期ValueTaskはスタックに割り当てられ、Taskはヒープに割り当てられるValueTaskは例外をキャッチできないTaskはasyncキーワードが必要、ValueTaskは不要
クイズ3:
C#のstringとStringBuilderの間にある主なパフォーマンス上の違いは何ですか？
stringはガベージコレクションによって管理されるStringBuilderは複数の文字列操作で効率的stringはUTF-8、StringBuilderはUTF-16を使用StringBuilderは読み取り専用、stringは読み書き可能
クイズ4:
C# 8.0で導入されたReadOnlySequence<T>はどのようなシナリオで便利ですか？
- 多次元配列の操作
- 非同期プログラミングでのスレッドセーフな処理
- メモリ効率的なシーケンスのスライス操作
- 高精度数値計算
答え: 1. 2 2. 2 3. 2 4. 3
ChatGPTによる解説
クイズ1:
C#においてsealedキーワードがクラスに付けられると、そのクラスは継承できなくなります。言い換えれば、他のクラスがsealedが付与されたクラスを基底クラスとして使用することはできません。これは、特定のクラスの実装がそのままの状態で保たれるべきであり、サブクラスによって変更されるべきではない場合などに有用です。
例：
以下はsealedが付与されたクラスの例です。
public sealed class MySealedClass
{
public int MyProperty { get; set; }
}
このクラスは継承できません。
public class MyDerivedClass : MySealedClass // コンパイルエラー
{
// ...
}
このように、MySealedClassを継承しようとするとコンパイルエラーが発生します。
主な用途：
不変性の確保: クラスの継承が許可されないことで、その挙動が変更されることがなく、より安全なコードが書けます。
最適化: コンパイラは
sealedクラスが継承されないことが保証されるため、より効率的なコードを生成する可能性があります。明示性:
sealedキーワードは、そのクラスが継承によって拡張されるべきでないという設計意図を明示的に示します。
sealedキーワードは、クラスだけでなく、メソッドやプロパティにも適用されることがあります。これにより、継承したクラスが基底クラスの特定のメソッドやプロパティをオーバーライドできなくなります。
参考資料・クイズ1
https://learn.microsoft.com/ja-jp/dotnet/csharp/language-reference/keywords/sealed
https://qiita.com/sator_imaging/items/0413c30716c6e5df5cd3
https://devblogs.microsoft.com/dotnet/performance-improvements-in-net-6/#peanut-butter
クイズ2:
C# の Task と ValueTask は非同期操作を表現するための型ですが、いくつか重要な違いがあります。
Task
ヒープ割り当て:
Taskインスタンスはヒープに割り当てられます。これは頻繁な割り当てと解放によるガベージコレクションの負荷がある場合があります。再利用不可:
Taskオブジェクトは完了後に再利用することはできません。一般的な非同期操作: 一般的に、
Taskは長時間の非同期操作に適しています。Task.Delay, Task.Run, Task.WhenAll, Task.WhenAny など:
Taskには非同期操作を行うための多くの静的メソッドが用意されています。
ValueTask
スタック割り当て:
ValueTaskは値型（struct）なので、スタック上に割り当てられる可能性があります。これにより、ガベージコレクションの負荷が減少する可能性があります。再利用可能:
ValueTaskはIValueTaskSourceを使用して再利用することができる場合があります。短時間の非同期操作: 短時間で完了する非同期操作や、同期的に完了する可能性が高い操作に適しています。
API が限られる:
ValueTaskにはTaskと比べて利用できるAPIが少ないです（例えば、WhenAllやWhenAnyなどの静的メソッドはありません）。
どちらを使用するか？
非同期メソッドが大半の場合で非同期に動作し、結果を待つ時間が長い場合は、
Taskの使用が適しています。非同期メソッドが大半の場合で同期的に完了する（つまり、待つ時間が非常に短い）または非常に頻繁に呼び出される場合、
ValueTaskの使用が適している可能性があります。
それぞれの使用ケースに応じて、適切な方を選択することが重要です。
参考資料・クイズ2
https://learn.microsoft.com/ja-jp/dotnet/api/system.threading.tasks.task?view=net-7.0
https://learn.microsoft.com/ja-jp/dotnet/api/system.threading.tasks.valuetask?view=net-7.0
https://ufcpp.net/study/csharp/sp5_async.html#valuetask
https://www.buildinsider.net/column/iwanaga-nobuyuki/009
クイズ3:
stringとStringBuilderの主な違いは、stringが不変（immutable）であるのに対し、StringBuilderが可変（mutable）であることです。この違いに起因するいくつかのパフォーマンス上の特性があります。
string
不変性:
stringは不変です。したがって、一度作成したstringオブジェクトは変更できません。連結コスト: 2つの
stringを連結する場合、新しいstringインスタンスが作成されます。これにより、多くのstringを連結する場合、時間とメモリの両方において高いコストがかかります。
string result = "";
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
result += "some string"; // 非効率
}
- メモリ: 不変性により、新しい
stringを生成するごとに新たなメモリが割り当てられます。
StringBuilder
可変性:
StringBuilderは可変です。内容を変更しても新しいオブジェクトが作成されないため、メモリ効率が高く、連結操作も高速です。連結の効率: 大量の文字列操作、特に連結が必要な場合、
StringBuilderは通常、より効率的です。
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
sb.Append("some string"); // 効率的
}
string result = sb.ToString();
- メモリ:
StringBuilderは初期容量を指定でき、内部の配列が必要に応じてリサイズされます。これにより、多くの小さなメモリ割り当てとガベージコレクションの動作を抑制できます。
いつどれを使うべきか？
短い文字列を少数、繰り返し連結するような場合には、
stringを使ってもパフォーマンス上の問題はほとんど発生しません。大量の文字列操作が必要な場合、特にループ内で多くの連結が行われる場合は、
StringBuilderの使用が推奨されます。
このように、用途に応じてstringとStringBuilderのどちらを使用するかを選ぶことが重要です。
参考資料・クイズ3
https://learn.microsoft.com/ja-jp/dotnet/api/system.text.stringbuilder?view=net-7.0
https://ufcpp.net/study/csharp/start/improvedinterpolatedstring/
クイズ4:
ReadOnlySequence<T>はC# 8.0と.NET Core 2.1で導入され、メモリ効率的なデータ処理が必要なシナリオで有用です。特に、連続していないメモリセグメントにまたがるデータの表現と操作に力を発揮します。以下は、そのようなシナリオのいくつかです。
ネットワークI/Oとストリーム処理
ReadOnlySequence<T>は、ネットワークプログラミングとデータストリームの操作に特に便利です。受信バッファがメモリ上で断片的な場合や、連続していない場合でも、この型を使用すると効率的にデータを処理できます。
パイプライン処理
データパイプラインの各ステージでデータを変更する代わりに、ReadOnlySequence<T>を使用して元のデータに対するビューを変更することができます。これにより、不要なデータのコピーを避けられます。
テキストとバイナリ解析
ReadOnlySequence<T>は、テキスト処理やバイナリ解析でも非常に有用です。例えば、大きなJSONやXMLドキュメントを処理する場合、全体を一度にメモリにロードする必要はありません。
ゼロコピー操作
一部の高度なシナリオでは、ゼロコピー（データをコピーせずに操作する）が必要です。ReadOnlySequence<T>は、そのようなケースで有用です。
メモリ効率
ReadOnlySequence<T>は、メモリ効率の向上にも寄与します。連続したメモリブロックではなく、既存のメモリセグメントに対するスライス（部分範囲）を効率的に操作できます。
このように、ReadOnlySequence<T>は多くのシナリオで非常に強力ですが、その複雑性から初心者には少々扱いづらい可能性もあります。ただし、高度なパフォーマンスが必要な場合には、この型が非常に有用です。
参考資料・クイズ4
https://learn.microsoft.com/ja-jp/dotnet/api/system.buffers.readonlysequence-1?view=net-7.0
https://learn.microsoft.com/ja-jp/dotnet/standard/io/buffers
私の回答
- 2
- 4 ×誤答
- 2
- 3
でした。非同期難しい…
感想
sealed修飾子によってパフォーマンスが高速化するのは知りませんでした。実行時間が 0.9837 ns から 0.0018 ns になるらしいので劇的に改善しますね。何万回と呼び出すような継承しないクラスには積極的に書こうと思いました。
Task/ValueTaskの使い分けは相当難しそうです。「基本的には同期処理だが、たまに非同期処理をしたい」という場所に使うのがValueTask<TResult>なんだそうです。これまた速度も劇的に上がるとのこと。ただ、いたずらになんでもValueTask<TResult>にしてしまうと、Task<TResult>を扱うメソッドが使えなかったり、値型であるがゆえのミスが起こったりすると思います。それこそ処理速度やメモリ量といったパフォーマンスに大きく影響する場所なので、しっかり勉強しようと思います。
string関連の仕様も、ChatGPTが網羅していないC# 10.0以降（注：C# 10.0のプレビュー版の知識はあるそうです）でどんどん高速化されていっているそうです。ループ内ならStringBuilder、という使い方そのものは変わりませんが、stringをさらに気楽に使えるようになったのは嬉しいですね。文字列操作も高速化の肝ですので、自分の手元でもいろいろ実験してみたいです。
ReadOnlySequence<T> は構造体で、SequenceReader<T> はref structだそうで。私はメモリバッファ関連のコレクションを操作したことがあまりないので、使い方を実感できていません。無力だ…
とはいえHTTPでJSONデータを送受信するプログラムを書いたことがある（1回しかなくて相当苦労したけど）ので、そういう通信関連のコードも勉強しなきゃなあと思います。
注意
これらの問題および解説はChatGPTのGPT-4 (ChatGPT August 3 Version)にしてもらいました。私も参考資料を確認して間違いがなさそうというのを一応確認しています。が、間違ってるところがあったらどんどん指摘してください。
