イベントループ

イベントループ (event loop)、メッセージディスパッチャ (message dispatcher)、メッセージループ (message loop)、メッセージポンプ (message pump)、ランループ (run loop) とは、プログラム内でイベントやメッセージを待ち受け、それらをディスパッチ（配送）する構成要素である。内部または外部の「イベントプロバイダー」（通常、イベントが到着するまで要求をブロックする）に要求することで動作し、次いで適当なイベントハンドラー (event handler) を呼び出す（イベントのディスパッチ）。イベントプロバイダーが後述のファイルインタフェースに従う場合、イベントループは reactor と連携する形で使われることがあり、select() または poll() を使ってファイルインタフェースにアクセスする。イベントループはほぼ常にメッセージの発信元とは非同期に動作する。

イベントループはプログラムの中心的制御構造となっていることが多い。そのためそれをメインループ (main loop) またはメインイベントループ (main event loop) とも呼ぶ。そのようなプログラムではイベントループが最上位の制御構造となっており、そのため「メイン」と名づけられている。

メッセージパッシング

メッセージポンプという呼称は、プログラムのメッセージキュー（通常OSが割り当て、OSが所有する）からメッセージを汲み上げ、そのプログラム内で処理することに由来する。厳密には、イベントループはプロセス間通信の実装法の1つである。実のところメッセージ処理は多くのシステムに存在し、例えばMachのカーネルレベルのコンポーネントにもある。イベントループはメッセージを使用するシステムの実装技法の1つである。

代替手法

この手法は以下のような他の手法とは対照的である:

• 古くからある、単純に一回動作して終了するプログラム。この種のプログラムは情報処理の最初期からあり、ユーザーとの対話手段を持たない。現在も主にCUI指向のプログラムでよく使われている。各種パラメータを指定して起動される。
• メニュー駆動型設計。この場合も一種のメインループは存在するが、ユーザーから見てイベント駆動的ではない。イベント駆動の代わりとして、階層型のメニューを順次選択していって、希望する動作を指定する。このメニューを通した限定的な対話性がある。

例

GUIが主流となったため、多くのアプリケーションがメインループを持つようになった。get_next_message() というルーチンは一般にOSが提供するもので、メッセージが到着するまでブロックされる。したがってこのループが動作するのは処理すべきものが存在する場合だけである。

function main
    initialize()
    while message != quit
        message := get_next_message()
        process_message(message)
    end while
end function

ファイルインタフェース

UNIXでは「あらゆるものはファイルである」というパラダイムにより、ファイルベースのイベントループが自然に生まれた。ファイルの読み書きだけでなく、プロセス間通信、ネットワーク通信、デバイス制御が全てファイルI/Oで行われ、対象はファイル記述子で指定される。selectおよびpollシステムコールを使えば、複数のファイル記述子の状態変化を同時に監視でき、読み込むべきデータが到着したことを検知できる。

例として、継続的に更新されるファイルから読み込んでその内容を X Window System に表示するPythonプログラムを示す。クライアントとはソケットを通じて通信する。

main(): 
    file_fd = open ("logfile")
    x_fd = open_display ()
    construct_interface ()
    while changed_fds = select ({file_fd, x_fd}):
        if file_fd in changed_fds:
            data = read_from (file_fd)
            append_to_display (data)
            send_repaint_message ()
        if x_fd in changed_fds:
            process_x_messages ()

シグナル処理

UNIXでファイルインタフェースに従わない数少ない例として、非同期イベント（シグナル）がある。シグナルはシグナルハンドラで受信する。シグナルハンドラは小さな制限されたコードであり、それが動作中はプログラム本体の処理はサスペンドされる。select()でブロック中にシグナルを受信して処理した場合、selectはEINTRというエラーコードを伴って早期に戻る。プログラムがCPUを使用している間にシグナルを受信すると、シグナルハンドラを実行する間は本体の実行がサスペンドされる。

したがってシグナルを考慮するには、シグナルハンドラで大域変数のフラグをセットし、イベントループのselect()呼び出しの直前と直後でそのフラグをチェックすればよい。フラグがセットされていたら、ファイル記述子でのイベントと同様にシグナルを処理する。しかしながら、この技法では競合状態が生じる。フラグのチェックとselect()呼び出しの間にシグナルが到着した場合、select()が他の理由で戻るまでシグナルを処理できない。

この問題を解決するため、POSIXではpselectシステムコールを提供している。これはselectに似ているがsigmaskという引数が追加されており、シグナルのマスクを設定できる。これを使えば、普段はシグナルをマスクしておき、selectを呼び出している間だけマスクを解除することができる。すると、シグナルは select がイベントを待ち受けている間だけ受信されることになる。ただし、pselect()が利用可能となったのは比較的最近のことで、たとえばLinuxの場合、Linuxカーネルのバージョン2.6.16より以前の版ではpselect()システムコールは実装されておらず、glibcでは競合状態の問題をはらんだ実装がなされていた。

より汎用的な代替技法として、非同期イベントをself-pipe trickと呼ばれる技法でファイルベースのイベントに変換してやる技法がある。これはシグナルハンドラでパイプに1バイトを書き込み、そのパイプのもう一方の端を主プログラムがselectで監視するという技法である。Linuxカーネル 2.6.22では、signalfd()という新システムコールが追加された。これはシグナル受信用の特別なファイル記述子を生成する。

実装例

Windowsアプリケーション

Windowsにてユーザーとやりとりするプロセスを動作させる場合、イベントに応答するためのメッセージループが必須である。Windowsではイベントとメッセージは同等視される。イベントとしては、ユーザーとのやりとり、ネットワークのトラフィック、システム処理、タイマー、プロセス間通信などがある。対話型でないI/Oのみのイベントについては、I/O完了ポートがある。I/O完了ポートのループはメッセージループとは別に動作し、メッセージループと相互作用することがない。

大抵のWin32アプリケーションの「心臓部」はWinMain()関数であり、ループ内でGetMessage()を呼び出す。GetMessage()はメッセージまたは「イベント」を受信するまでブロックする。何らかの選択的処理の後DispatchMessage()を呼び出し、対応するハンドラー用のコールバック関数 (ウィンドウプロシージャ: WindowProc) にメッセージをディスパッチする。専用のウィンドウプロシージャのないメッセージはDefWindowProc()というデフォルトのハンドラーにディスパッチする。RegisterClass()でウィンドウクラスを登録する際にウィンドウプロシージャの関数ポインタを指定することができ、DispatchMessage()はメッセージの送信先ウィンドウハンドル (HWND) に対応するウィンドウプロシージャを呼び出す。

以下はMicrosoft Docs (旧MSDNライブラリ) に記載されている、メッセージループの実装例のひとつである:

MSG msg;
BOOL bRet;

while ((bRet = GetMessage(&msg, NULL, 0, 0)) != 0)
{
    if (bRet == -1)
    {
        // handle the error and possibly exit
    }
    else
    {
        TranslateMessage(&msg);
        DispatchMessage(&msg);
    }
}

そのほか、ブロッキングせずにメッセージキューからメッセージを読み取るPeekMessage()を使う方法もある。

メッセージの順序性

より最近のWindowsでは、システムや周辺機器が受信した順序でメッセージループにメッセージが到達することを保証している。これはマルチスレッドアプリケーションの設計で必須となる。

ただし、一部のメッセージには異なる規則が適用され、常に最後に受信されるメッセージや文書化された特別な優先順位で受信されるメッセージがある。

フレームワーク

MFC、Windows Forms、WPFといったアプリケーションフレームワークでは、ライブラリ側で既定のメッセージループの実装を持っているため、通常はアプリケーションコードで明示的に記述する必要はない。アプリケーションで必要となるイベントハンドラーのみを記述していく「イベント駆動型プログラミング」のスタイルを用いて効率的に開発できる。ただし、必要に応じてメッセージループを詳細にカスタマイズしたり、異なるフレームワークを相互運用したりするためのAPIも用意されている。

Xlibのイベントループ

Xlibを直接使用するXアプリケーションは、XNextEventファミリの関数を中心に構築される。XNextEventはイベントキューにイベントが到着するまでブロックし、イベントを受け取ると即座にアプリケーションが適切にそれを処理する。Xlibのイベントループが扱うのはウィンドウシステムのイベントのみである。他のファイルやデバイスについても待ち受ける必要がある場合は ConnectionNumber などのプリミティブからイベントループを自前で構築する必要があるが、一般にマルチスレッドを採用することが多い。

Xlibを直接使用するプログラムは少ない。より一般的にはXlib上に構築されたGUIツールキットを使用する。例えば、X Toolkit Intrinsics (Xt) 上のツールキットでは XtAppAddInput() と XtAppAddTimeout() を使用する。

なお、シグナル受信時の状態が不定であるため、シグナルハンドラからXlib関数を呼び出すのは危険である。

GLibのイベントループ

GLibのイベントループはGTK+（現・GTK）向けに作られたが、今ではD-BusなどのGUI以外のアプリケーションでも使われている。ファイル記述子群で監視したいリソースを指定する。シグナルを受信するかタイムアウトすると、ブロック状態から復帰する。GLibはファイル記述子と子プロセス終了のイベントを組み込みでサポートしているが、prepare-check-dispatch モデルの対象として任意のイベントを加えることが可能である。

GLibのイベントループを使っているアプリケーションライブラリとしては、GStreamerやGnomeVFSの非同期IOメソッド群があるが、最大のクライアントライブラリはGTKである。ウィンドウシステムからのイベント（Xの場合、Xのソケットからの読み込み）はGTK+イベントに変換され、アプリケーションのウィジェットオブジェクト上のGLibシグナルとして発せられる。

macOSのループ

macOSではスレッド毎に1つのCFRunLoopがあり、それに任意個のソース（イベント源）とオブザーバ（ハンドラ）を対応させることができる。そのループがメッセージのキューイングとディスパッチを行い、それを通してソースとオブザーバがやりとりする。

CocoaではCFRunLoopがNSRunLoopに抽象化されており、任意のメッセージをキューイングして任意のオブジェクトにディスパッチできる。

Androidのメッセージループ

Java言語向けのAndroid SDKにおけるアプリケーションフレームワークには、メッセージを表現するandroid.os.Messageクラス、メッセージキューを表現するandroid.os.MessageQueueクラス、メッセージループの実装であるandroid.os.Looperクラス、メッセージの送信と処理を担当するandroid.os.Handlerクラスなどが用意されている。ただし、Looper.loop()メソッドの実装に使われているMessageQueue.next()メソッドなどがAPIとして公開されていないため、メッセージループを独自に実装することはできない。

Android NDKでは、POSIXパイプとALooper関連APIを利用して、ネイティブスレッド上にメッセージループを独自に実装することができる。NativeActivityのサンプルには、ALooperを利用したメッセージループの実装が含まれている。

関連項目

• メッセージ (コンピュータ)
• イベント (プログラミング)
• イベント駆動型プログラミング
• プロセス間通信
• 非同期IO
• モーダルウィンドウ

外部リンク

• Meandering Through the Maze of MFC Message and Command Routing
• WindowProc callback function (Windows) | Microsoft Docs