Mono is Dead

Mono is Dead
∼高速なC#サーバを目指して∼

もくじ
• Introduction
• C#で1万Clientを捌く
• Mono is Dead

やったこと
• １対１で対戦する
• TCPの
• ゲームサーバを
• C#(Mono)で作った

結果
• １サーバあたり10,000クライアント程度
ならいける
• 無事iOSとAndroidにリリースして、ちゃ
んと動いてる

長く苦しい戦いだった…
• 苦しかったのは主にMonoのせい
• 今日はMonoをdisります
• が、その前に前提知識（async/await構
文）の共有をします

Q&A
• なんでC#なの？
• クライアントがC#(Unity)で書かれて
いて、一部のロジックを共有したかっ
た

Q&A
• P2Pでやらないのはなぜ？
• 改ざんに対する処置がゲームサーバ作
るよりめんどそう

Q&A
• .NET Framework使わないの？
• Windowsを運用するのはとてもつらい

Q&A
• なんでTCPなの？UDPじゃだめなの？
• UDPはつらい
• パケット組み立てるのつらい
• 再送信処理を実装するのつらい
• 送信元を識別するのつらい
• 切断検知つらい

C#でTCP通信
• お題: 5バイトのデータを受け取り、そ
のデータをそのまま返すサーバを作ろ
う
• つまり劣化版Echoサーバ

同期版
TcpClient client = // Accept部分は省略
Stream stream = client.GetStream();
while (true) {
var buf = new buf[5];
stream.Read(buf, 0, buf.Length);
stream.Write(buf, 0, buf.Length);
}

ダメ
• Readでbuf.Lengthだけ読める保証は無い
• Readの戻り値が0の時は終端だったりエ
ラーの場合なので例外を投げる
• 例外の処理をしよう

同期版（改）
static void ReadFully(this Stream stream, byte[] buf) {
var readBytes = 0;
while (readBytes != buf.Length) {
var n = stream.Read(buf, readBytes,
buf.Length - readBytes);
if (n == 0)
throw new Exception("hoge-");
readBytes += n;
}
}

同期版（改）
try {
while (true) {
stream.ReadFully(buf);
}
} catch (Exception e) {
// 例外出たらログを残して接続を閉じる
logger.Error("error", e);
client.Close();
}

簡単
• 同期的に書くのはとても簡単
• 例外処理を含めても簡単

だがしかし
CPUが全く働いてない

だがしかし
• 呼び出したスレッドが止まる
• 8スレッドで動かした場合、8クライアントが
Readするだけで全部止まる
• たかだかスレッド数までしかクライアントを
捌けない

スレッド増やせば？
• メモリが足りない
• スタック領域だけで最低256KBぐらい
• コンテキストスイッチで時間が掛かる
• なので1万クライアントをスレッドで捌くのは
きつい
• いわゆるC10K問題

つまり
• １万クライアントをスレッドで同期処
理するのは無理

そこで
• 非同期処理
• C#には非同期処理用の関数がある
• BeginRead, EndRead, BeginWrite, EndWrite
• これを使えば解決できるはず

同期版（再掲）
try {
while (true) {
stream.ReadFully(buf);
}
client.Close();
}

非同期版
var buf = new byte[5];
Func<IAsyncResult> func;
func = ar1 => {
stream.EndReadFully(ar1);
stream.BeginWrite(buf, 0, buf.Length, ar2 => {
stream.EndWrite(ar2);
// 再度BeginReadを始める（whileループ相当）
stream.BeginReadFully(buf, 0, buf.Length, func,
null);
};
};
stream.BeginReadFully(buf, 0, buf.Length, func, null);
完全に別コード

非同期版
func = ar1 => {
null);
};
};
どうやって実装するのか分かりませんでした

非同期版
func = ar1 => {
stream.EndReadFully(ar1); // 例外処理どうしよう
stream.EndWrite(ar2); // 例外処理どうしよう
null);
};
};
例外処理つらい

非同期版
func = ar1 => {
null);
};
};
whileループすら再帰とか…

結論
• 非同期処理はつらい

そこで
• async/await構文
• C# 5.0 で入った新しい非同期処理

同期版（再掲）
static void ReadFully(
this Stream stream, byte[] buf) {
var readBytes = 0;
var n = stream.Read(buf, readBytes,
buf.Length - readBytes);
if (n == 0)
readBytes += n;
}
}

async/await版
static async Task ReadFullyAsync(
var readBytes = 0;
var n = await stream.ReadAsync(buf, readBytes,
buf.Length - readBytes)
.ConfigureAwait(false);
if (n == 0)
readBytes += n;
};
}

差分
static async Task ReadFullyAsync(
var readBytes = 0;
var n = await stream.ReadAsync(buf, readBytes,
buf.Length - readBytes)
if (n == 0)
readBytes += n;
};
}

async/await版
try {
while (true) {
await stream.ReadFullyAsync(buf)
await stream.WriteAsync(buf, 0, buf.Length)
}
client.Close();
}

差分
try {
while (true) {
}
client.Close();
}

async/awaitは良い
• 同期版とほぼ同じように書ける
• 例外処理も簡単に書ける

実際の動き
• スレッドの代わりにタスクと呼ばれる
単位で動作する
• タスク自体はメモリをほぼ使わない
• いわゆる軽量スレッド
• awaitする度にタスクを処理するスレッ
ドが変わる

実際の動き
try {
while (true) {
}
client.Close();
}
Thread1
Thread2

実際の動き
タスク９個の場合

Q&A
• ConﬁgureAwait(false)って何？
• これが無いと、完了通知先が必ず呼
び出し元のスレッドになる
• UI処理する場合は便利だけど、ス
レッド待ちで遅くなるし、デッドロッ
クが起きる可能性もある

async/awaitは良い
• 同期版とほぼ同じように書ける
• 例外処理も簡単に書ける
• メモリをほとんど使わない (new!)
• CPUを使いきれる (new!)
• つまり1万クライアント捌ける

async/awaitまとめ
• async/awaitを使って
• 高速で
• 書きやすい
• C#サーバ
• これは…いける！

Mono is Dead
∼本編始まるよ！∼

.NET is Alive
• MicrosoftVisual C#を使って実装
• VC#を使っている時点ではほぼ問題な
く実装できてた

Mono is Dead
• VC#ではうまく動いていたexeをMonoで
実行すると…

Mono is Dead
• VC#ではうまく動いていたexeをMonoで
実行すると…
＿人人人人人人＿
＞突然の死＜
￣Y^Y^Y^Y^Y￣

LogicalSetData で死ぬ
• System.Runtime.Remoting.Messaging.CallC
ontext.LogicalSetData
• TLS(Thread Local Storage)のタスク版み
たいなやつ（正確には違うけど）
• タスク単位のグローバル変数っぽいの
を作りたい場合、これに頼るしか無い
（はず）

• VC#では問題なく動いていたのに、
Monoだとおかしな動作をする
• Monoのソースコードを眺めてみると…

[ThreadStatic] static Hashtable logicalDatastore;
static void LogicalSetData(string name, object data)
{
var r = logicalDatastore;
if (r == null)
r = logicalDatastore = new Hashtable();
r[name] = data;
}
Mono-3.2.8のソースより

[ThreadStatic] static Hashtable logicalDatastore;
static void LogicalSetData(string name, object data)
{
var r = logicalDatastore;
if (r == null)
r = logicalDatastore = new Hashtable();
r[name] = data;
}
ただのTLS実装になっている
そんな実装で大丈夫か？
Mono-3.2.8のソースより

• Issueにも報告さ
れている
• Mono 4.0以降で
直っていること
が分かった

• タスク単位のグローバル変数を使う場
合はMono 4.0以降が必須
• Mono 4.0は2015年5月4日にリリース
• 公式パッケージに入ってない可能性が
あるので気をつけよう

• 結論: Mono 3.x は死ぬべき

キャンセルトークンで死ぬ

• ReadAsyncやWriteAsyncなどの非同期処
理を中断する機能
• 主にタイムアウトの為に使う

public virtual Task<int> ReadAsync(
byte[] buffer,
int offset,
int count,
CancellationToken cancellationToken)
// Task1
CancellationToken token = tokenSource.Token;
await stream.ReadAsync(buf, 0, size, token);
// Task2
// ReadAsyncの処理を中断させる
tokenSource.Cancel();

• これでいけそうに見える
• が、実際はI/O処理を中断できない
• NetworkStreamがキャンセルトークンに
対応してない
• え、タイムアウトどうやって実現する
の？

• Stack Overﬂow曰く
• 「タイムアウトになったら別タスクで
Closeすりゃ中断できるよ」
• これなら…いける！

＞突然の死＜
￣Y^Y^Y^Y^Y￣

static async Task TestConnect() {
try {
var client = new TcpClient();
var task = Task.Run(
() => client.ConnectAsync("localhost", 8080));
client.Close();
await task.ConfigureAwait(false);
} catch (Exception) { }
}
これを１０万回ぐらい呼び出すと大体死ぬ
全体コード

• そもそもNetworkStreamは仕様的にはス
レッドセーフではない
• なので死ぬのは仕方がないという気も
する
• そしてタイムアウト実現は振り出しに
戻る

• 結局キューに詰めて一本化することで
何とかした

• ReadAsyncやCloseをリクエストキュー
に詰めて、
• ワーカータスクがそれを処理し、
• 結果をリプライキューに詰めたのを、
• 呼び出し元がリプライキューの結果を
読む

public async Task<int> ReadAsync(
byte[] buf, int offset, int length,
CancellationToken token) {
// リクエストキューに詰めて
await requestQueue.Enqueue(new Request() {
Type = Operation.ReadAsync,
Buf = buf,
Offset = offset,
Length = length,
}).ConfigureAwait(false);
// レスポンスキューに結果が返ってくるのを待つ
var resp = await responseQueue.Dequeue(token)
return resp.ReadResult;
}

Buf = buf,
Offset = offset,
Length = length,
}
responseQueueがCancellationTokenに対応してればいい

async void Run() {
while (true) {
// リクエストを受け取り
var op = await requestQueue.Dequeue().ConfigureAwait(false);
// リクエスト毎の処理をして
switch (op.Type) {
case Operation.ReadAsync:
var result = await client.ReadAsync(
op.Buf, op.Offset, op.Length).ConfigureAwait(false);
// レスポンスを返す
await responseQueue.Enqueue(resp)
break;
case Operation.WriteAsync:
...
}
}

• キューから１個ずつ取ってきて処理す
るので、同時にReadAsyncやCloseが呼ば
れたりしない
• responseQueueがキャンセルトークンに
対応してるので、無事タイムアウト処
理ができるようになった

• 結論: Monoは通信のタイムアウトすら簡
単に対応できない

補足
• キャンセルトークンが使えないのは
VC#でも同じ
• ただし別タスクからCloseを呼び出しま
くっても落ちなかった

Q&A
• これってちゃんとClose呼ばれるの？
• 呼ばれないこともある
• でもソケットはSafeHandleなのでファ
イナライザがうまいことやってくれる

BufferBlockで死ぬ
Buf = buf,
Offset = offset,
Length = length,
}
requestQueueとresponseQueueはどうやって作るの？

• Queue<T>はスレッドセーフではない
• ConcurrentQueue<T>はawaitで待てない
• async/awaitに対応したキューが必要

• System.Threading.Tasks.Dataﬂow.BufferBlo
ck が使えそう
• BufferBlock.SendAsync(data, token)で送信
• BufferBlock.ReceiveAsync(token)で受信
• キャンセルトークンが使える！

＞突然の死＜
￣Y^Y^Y^Y^Y￣

static async Task SendTask(BufferBlock<string> bb) {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
await bb.SendAsync(i.ToString()).ConfigureAwait(false);
await Task.Delay(1).ConfigureAwait(false);
}
}
static async Task ReceiveTask(BufferBlock<string> bb) {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
try {
await bb.ReceiveAsync(TimeSpan.FromMilliseconds(1))
} catch (Exception) { }
}
}
SendTaskとReceiveTaskを同時に実行すると大体死ぬ
全体コード

• 普通にバグ
• ReceiveAsyncのタイムアウト時の処理で
レースコンディション起こしてる

• 結局自作した
• AsyncMutex
• AsyncConditionVariable
• AsyncQueue
• 今のところ問題なく動いてる

• 結論: Monoはまともに使えないライブ
ラリを提供している

SGenで死ぬ
• Mono曰く
• SGen is a new and powerful garbage
collector.

SGenで死ぬ
＞突然の死＜
￣Y^Y^Y^Y^Y￣

SGenで死ぬ
• しばらく動かしてると唐突に死ぬ
• スタックトレースを見るとSGenの関数
内で死んでる
• new and powerful ェ…

SGenで死ぬ
• 古き良き Boehm GC を使うと死ななく
なった
• ただしメモリが4GBまでしか使えない
• 複数プロセス起動することで対応

SGenで死ぬ
• 結論: Monoはnew and powerful (笑) な
GCを提供している

mmap(NONE)で死ぬ
＞突然の死＜
￣Y^Y^Y^Y^Y￣

mmap(NONE)で死ぬ
• しばらく動かしていると
• mmap(...PROT_NONE...) failed
• というエラーを出して死ぬ

mmap(NONE)で死ぬ
• Issueにあるように、コンパイラのビル
ド時に-DUSE_MMAPと-DUSE_MUNMAP
を外す必要がある
• Monoをソースからビルドし直し

mmap(NONE)で死ぬ
• Monoはしばらく動かしてると大体死ぬ

メモリリークで死ぬ
• 未解決問題
• 負荷が掛かっている場合だけメモリ使
用量が増え続ける
• ゲームサーバのコードが悪いせいなの
かどうか分からない

• PHP製作者曰く:
• 「僕なら、10リクエストごとにApache
を再起動しますね。」
• ということで、一定量動かしたらプロ
セスを再起動するようにした

• 結論: Monoはメモリリークを起こしてい
るかも、と疑心暗鬼になるだけの下地
がある

まとめ
• Monoは人類には早かった
• 次やるならクライアントをホストにす
ると思う

まとめ
• とはいえ、async/awaitのおかげでサーバ
のコードは相当短くなった
• 全部で5,000行程度
• ※クライアントとの共通コードは除く
•言い換えれば5,000行程度でMonoが死にま
くったという…

まとめ
• Monoは（人間とプロセスが）死ぬ
• 覚悟を持って使いましょう

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