そもそもFiberって？

実は数ヶ月前にFiberの入門記事を書いたことがある。
もしFiberについて知らないなら、まずはこっちを読んでみて！

Rubyのファイバーを使ったイベント駆動型ノンブロッキングIO

Ruby 3のFiberに追加された`blocking`オプション

Ruby 3では、Fiber.newに blockingオプション が追加された。
これがどういう意味を持つのか見ていこう。

blocking: true → これは今までのFiberと同じ動作。
blocking: false（デフォルト）→ ノンブロッキングファイバー になる。

blocking: falseのファイバーは、IOやネットワーク通信、sleepなどのブロッキング操作を行うと、自動でyieldして制御を他のファイバーに渡す。
これによって、処理が止まらずスムーズに並行処理できるようになる！

どうやって処理を再開するの？

じゃあ、IO操作が終わった後、どうやって元のファイバーを再開させるの？
答えは スケジューラー（イベントループ） だ！

スケジューラーは「どのファイバーがブロック中なのか」を管理し、処理を再開できるタイミングでファイバーをresumeする。
Ruby自体にはスケジューラーが組み込まれてないので、自分で実装する必要がある。

次の章では、簡単なスケジューラーを作ってみよう！

Fiber.scheduler を作ってみる！

スケジューラーの役割はシンプル。

どのファイバーがブロック中かを管理する
ブロックが解除されたら、そのファイバーを再開する

スケジューラーを作るには、次のフックを実装する必要がある：

io_wait（IO待ち）
process_wait（プロセス待ち）
kernel_sleep（sleep処理）
block / unblock（ロック処理）

これらのフックは、ノンブロッキングファイバーがブロッキング操作を行ったときに呼び出される。

超シンプルなスケジューラーの実装

まずは最低限のスケジューラーを作ってみよう。

class Scheduler
  def io_wait(io, events, timeout)
  end

  def kernel_sleep(duration = nil)
  end

  def process_wait(pid, flags)
  end

  def block(blocker, timeout = nil)
  end

  def unblock(blocker, fiber)
  end
  
  def close
  end
end

これをFiber.set_schedulerで登録すれば、ノンブロッキングファイバーを動かせるようになる。

`kernel_sleep` フックを実装しよう

まずは sleep をノンブロッキングで動かせるようにしてみよう。

require 'fiber'

class SimpleScheduler
  def initialize
    @waiting = {} # どのファイバーがいつまでsleepするかを管理
  end

  def run
    while @waiting.any?
      @waiting.keys.each do |fiber|
        if current_time > @waiting[fiber]
          @waiting.delete(fiber)
          fiber.resume
        end
      end
    end
  end

  def kernel_sleep(duration = nil)
    @waiting[Fiber.current] = current_time + duration
    Fiber.yield
    return true
  end

  def close
    run
  end

  private
  def current_time
    Process.clock_gettime(Process::CLOCK_MONOTONIC)
  end
end

これで sleep がブロッキングしなくなる！

`io_wait` を実装する

次に、IOのノンブロッキングを実装しよう。

class SimpleScheduler
  def initialize
    @readable = {}
    @writable = {}
    @waiting = {}
  end

  def io_wait(io, events, timeout)
    unless (events & IO::READABLE).zero?
      @readable[io] = Fiber.current
    end
  
    unless (events & IO::WRITABLE).zero?
      @writable[io] = Fiber.current
    end

    Fiber.yield
    return events
  end
end

IOの状態を監視して、準備ができたらファイバーを再開させる感じだね。

`block/unblock` の実装

最後に、ブロッキング状態の管理を追加しよう。

def block(blocker, timeout = nil)
  @blocking += 1
  begin
    Fiber.yield
  ensure
    @blocking -= 1
  end
end

def unblock(blocker, fiber)
  @ready << fiber
  io = @urgent.last
  io.write_nonblock('.')
end

この機能を組み込めば、HTTPリクエストなどの非同期処理もスムーズに扱える！

まとめ

Ruby 3のノンブロッキングファイバーは、今まで以上に効率的な並行処理を実現できる！
ただし、Ruby自体にはスケジューラーが含まれていないので、自分で実装するか、Async のようなライブラリを使うのがベスト。

とはいえ、まだ開発中の機能なので、すべてのIO処理が完全にノンブロッキングになっているわけではない。
今後のアップデートでより使いやすくなるのを期待しよう！

改良ポイント

IO.select のタイムアウトを適切に設定すると、CPU負荷を減らせるかも？
process_wait の実装も試してみよう！
イベントループの効率化も考えてみよう！

Ruby 3、めちゃくちゃ進化してるね！
ノンブロッキングファイバーを活用して、もっと効率的なコードを書いていこう

Ruby 3がついにリリース！(2020/12/25)

そもそもFiberって？

Ruby 3のFiberに追加されたblockingオプション