Rust async

2025年11月16日

Rust async

英語表記: Rust async

概要

Rust asyncは、プログラミング言語Rustにおける、高効率なノンブロッキングI/Oを実現するための非同期プログラミングモデルです。これは、並行・並列処理（マルチスレッド, GPU並列）の大きな枠組みの中で、「非同期/イベント駆動」という手法を具体的に実装するものです。開発者はasyncおよびawaitという特別なキーワードを用いることで、本来複雑な非同期処理を、あたかも上から順に実行される同期処理のように分かりやすく記述できます。このモデルの導入により、OSスレッドを大量に消費することなく、ネットワーク通信やファイル操作といった待ち時間の長い処理を効率的に並行して実行できるようになりました。

詳細解説

Rust asyncは、高性能なサーバーサイドアプリケーションやネットワークサービスを構築する上で欠かせない技術であり、特に「非同期/イベント駆動」のカテゴリにおいてその真価を発揮します。

目的と背景：なぜ非同期が必要なのか

従来の「並行・並列処理」の主要な手段はマルチスレッドでした。しかし、マルチスレッドはOSが管理するスレッドを使用するため、スレッドの生成や切り替え（コンテキストスイッチ）に大きなオーバーヘッドが発生します。特に、Webサーバーのように数千、数万もの同時接続を扱う場合、すべての接続にOSスレッドを割り当てると、メモリを大量に消費し、システム全体のパフォーマンスが低下してしまいます。

Rust asyncは、この問題を解決するために設計されました。I/O待ち時間（ネットワーク応答待ちなど）が発生した際に、CPUがアイドル状態になるのを防ぎ、その間に別の処理（別の接続の処理）に切り替えることで、単一または少数のOSスレッドを最大限に活用します。

主要な構成要素

Rust asyncの仕組みは、主に以下の3つの要素によって成り立っています。

async関数とawaitキーワード (async/await):
- async関数は、非同期で実行可能なコードブロックを定義します。この関数を呼び出しても、すぐに処理が実行されるわけではありません。
- awaitは、非同期処理の結果が出るまで待機する場所を示します。ここで処理は一時停止（yield）し、CPUの制御をランタイムに戻します。開発者にとって、このawaitを使うことで、非同期処理の流れを同期的なコードとして読み書きできるのが非常に魅力的ですね。
Futureトレイト:
- async関数が呼び出されたとき、実際には処理の「未来の結果」を表すFutureという状態機械（ステートマシン）が生成されます。
- このFutureは、処理が現在どの段階にあるか、次にどの処理を実行すべきか、といった状態を保持しています。これは、並行処理における「タスク」の具体的な実体だと考えると分かりやすいでしょう。処理が完了するまで、このFutureオブジェクトがメモリ上で管理されます。
Executor（ランタイム）:
- Executorは、非同期タスク（Future）を実行し、管理する責任を負います。これは、並行処理における「スケジューラ」の役割を果たします。
- Executorはイベントループを回し、どのFutureがI/O完了通知を受け取って実行を再開できる状態にあるかを確認します。そして、準備ができたFutureだけを効率的にポーリング（処理を少し進めること）します。Rustでは、このExecutor機能を提供する有名なライブラリとして「Tokio」や「async-std」が存在します。

動作のメカニズム（非同期/イベント駆動との関連）

Rust asyncは、協調的マルチタスクを採用しています。

非同期関数が実行され、ネットワークリクエストなど待ち時間の長い処理に到達すると、開発者はawaitキーワードを使用します。
awaitが実行されると、その関数は処理を一時停止し、現在の状態をFutureオブジェクトに保存します。
制御は即座にExecutorに戻されます。Executorは、この関数がI/O完了を待っている間に、他の多数のFuture（タスク）を実行し始めます。
外部のI/O操作が完了したという通知（イベント）がOSから届くと、Executorはそのイベントをトリガーとして、対応するFutureを再開（ポーリング）します。

このように、処理の切り替えがI/Oイベントの発生によって駆動され、かつタスク自身が自発的に制御を明け渡す（協調する）ため、これはまさに「非同期/イベント駆動」モデルの理想的な形と言えるのです。OSレベルのコンテキストスイッチが発生しないため、非常に高速でメモリ効率が良いのが特筆すべき点です。

具体例・活用シーン

Rust asyncは、I/Oバウンドな処理（I/O待ち時間が支配的な処理）において最高のパフォーマンスを発揮します。

活用シーン

高性能Webサーバー/API Gateway: 多数のクライアントからのリクエストを同時に処理する際に、スレッド数を抑えつつ高いスループットを実現できます。
マイクロサービス間通信: サービスAがサービスBにリクエストを送り、応答を待っている間（I/O待ち）、他のリクエストを処理できます。
データベース接続プール: 複数のデータベースリクエストを効率的に管理し、接続のボトルネックを解消します。

アナロジー：カフェのウェイター（協調的マルチタスク）

Rust asyncの動作を理解するために、カフェのウェイターを例にとってみましょう。このカフェのウェイターをExecutor（ランタイム）だと考えてください。

従来のマルチスレッド（ブロッキング処理）:
- ウェイター（スレッド）が1人。テーブルAの客が「オムライスを注文します」と言いました。オムライスは調理に20分かかります。ウェイターは、オムライスができるまでの20分間、何もせずにテーブルAのそばで待機し続けます。他のテーブルの客が手を挙げても、対応できません。これはリソース（ウェイター）の無駄遣いですね。
Rust async（非同期/イベント駆動）:
- ウェイター（Executor）は1人。テーブルAの客が「オムライスを注文します」と言いました。ウェイターは注文を調理場に伝えます（I/O開始）。そして、「オムライスができたら呼んでください」と調理場に頼み（イベント登録）、すぐにテーブルBに移動します。
- テーブルBの客が「コーヒー」を注文しました。ウェイターは注文を伝え、コーヒーができるのを待たずにテーブルCへ移動します。
- 20分後、調理場から「テーブルAのオムライスができました！」という通知（イベント）が入ります。ウェイターはすぐにテーブルAに戻り、料理を提供します。

この例におけるウェイターの動きこそが、Rust asyncのExecutorが行っている「協調的マルチタスク」です。ウェイターは、待ち時間が発生するたびに自発的に（awaitによって）他のタスクに切り替えることで、たった1人で何十ものテーブル（タスク）を効率的にさばくことができるのです。これは、並行処理を実現するための非常に洗練された方法と言えるでしょう。

資格試験向けチェックポイント

Rust asyncそのものが直接ITパスポートや基本情報技術者試験（FE）の出題範囲になることは稀ですが、この技術の根幹にある「非同期処理」や「イベント駆動」の概念は頻出です。応用情報技術者試験（AP）では、高性能システムの設計原理として問われる可能性があります。

| 資格レベル | 重点的に抑えるべきポイント |
| :— | :— |
| ITパスポート / 基本情報技術者試験 | 非同期処理のメリット: 同期処理（ブロッキング）との違いを理解する。I/O待ちが発生してもシステム全体が停止しない（フリーズしない）ことが重要です。また、「イベント駆動型」が、外部からの通知（イベント）に基づいて処理を実行するモデルであることを明確に覚えておきましょう。 |
| 基本情報技術者試験 / 応用情報技術者試験 | 並行処理の分類: Rust asyncが「マルチスレッド」ではなく「非同期/イベント駆動」の範疇にあることを理解してください。これは、OSリソースの消費を抑え、ユーザー空間（アプリケーション側）で効率的なタスク管理を行う技術です。 |
| 応用情報技術者試験 | コンポーネントの役割: Executor（タスクスケジューラ）が、多数のFuture（タスク）を単一スレッド内でどのように管理・実行しているかを問われる可能性があります。協調的マルチタスクとプリエンプティブマルチタスク（OSスレッド）の違いを説明できるようにしておくと万全です。 |
| 試験対策のヒント | async/awaitは、複雑な非同期処理の記述を「簡潔化」するためのシンタックスシュガー（糖衣構文）である、という認識を持っておくと理解が深まります。実際の処理の実体は、Futureという状態機械が担っている、という点が非常に重要です。 |