C# Parallel.For、変数のスコープについて教えてください

前提

プログラミング初心者です。
visual studio2019でParallel.Forを用いた画像の二値化処理プログラムを作成しました。
このプログラムで下記三点の処理時間を計測します。

・Parallel.Forのみを関数にした処理
・同一関数内で全て行う処理
・Parallel.Forを使わない処理

上手くプログラムが動作するのが確認出来ると後述の疑問点が生まれました。

疑問点

・Parallel.Forを関数にすると何故lockをしなくても処理できるのか
・関数void型で戻り値を使用してないのになぜbyte[] baimageの値は
変更されて正常に二値化されてる画像が表示されるのか

該当のソースコード

C#
1//関数を新規に作り、Parallel.Forを実施
2private void Button1_Click(object sender, EventArgs e)
3{
4　　var ofd = new OpenFileDialog();
5　　if (ofd.ShowDialog() != DialogResult.O
6　　　　return;
7
8　　var sw = new Stopwatch();
9　　sw.Start();
10
11　　Bitmap bmp = new Bitmap(ofd.FileName);
12　　BitmapData bmpDate = bmp.LockBits(new Rectangle(0, 0, bmp.Width, bmp.Height),
13　　　　　　　　　　　　　　　　ImageLockMode.ReadWrite, PixelFormat.Format32bppArgb);
14　　byte[] baimage  = new byte[bmp.Width * bmp.Height * 4];
15　　Marshal.Copy(bmpDate.Scan0, baimage, 0, baimage.Length);
16
17　　parallel(bmp.Height, bmp.Width, baimage);
18
19　　Marshal.Copy(baimage, 0, bmpDate.Scan0, baimage.Length);
20　　bmp.UnlockBits(bmpDate);
21　　sw.Stop();
22　　label1.Text = sw.ElapsedMilliseconds.ToString();
23
24　　pictureBox1.SizeMode = PictureBoxSizeMode.Zoom;
25　　pictureBox1.Image = bmp;
26}
27
28private void parallel(int bmp_height, int bmp_width, byte[] image)
29{
30　　Parallel.For(0, bmp_height, y =>
31　　{
32　　　　for (int x = 0; x < bmp_width; x++)
33　　　　{
34　　　　　　var bytePos = y * bmp_width * 4 + x * 4;
35　　　　　　int gray = (int)(0.299 * image[bytePos + 2] + 0.587 * image[bytePos + 1] + 0.114 * image[bytePos]);
36
37　　　　　　if (gray > 127)
38           {
39           　　// 閾値を超えた場合、白
40           　　image[bytePos] = 0xFF;
41               image[bytePos + 1] = 0xFF;
42               image[bytePos + 2] = 0xFF;
43　　　　　　}
44           else
45           {
46           　　// 閾値以下の場合、黒
47           　　image[bytePos] = 0x0;
48               image[bytePos + 1] = 0x0;
49               image[bytePos + 2] = 0x0;
50           }
51       }
52　　});
53}
54
55
56//同一関数内でParallel.Forを実施
57private void Button2_Click(object sender, EventArgs e)
58{
59　　var ofd = new OpenFileDialog();
60　　if (ofd.ShowDialog() != DialogResult.OK)
61　　　　return;
62
63　　var sw = new Stopwatch();
64　　sw.Start();
65
66　　Bitmap bmp = new Bitmap(ofd.FileName);
67　　BitmapData bmpDate = bmp.LockBits(new Rectangle(0, 0, bmp.Width, bmp.Height),
68　　　　　　　　　　　　　　　　 ImageLockMode.ReadWrite, PixelFormat.Format32bppArgb);
69　　byte[] baimage = new byte[bmp.Width * bmp.Height * 4];
70　　Marshal.Copy(bmpDate.Scan0, baimage, 0, baimage.Length);
71
72　　Parallel.For(0, bmp.Height, y =>
73　　{
74　　　　lock (this) for (int x = 0; x < bmp.Width; x++)
75　　　　{
76　　　　　　var bytePos = y * bmp.Width * 4 + x * 4;
77　　　　　　int gray = (int)(0.299 * baimage[bytePos + 2] + 0.587 * baimage[bytePos + 1] + 0.114 * baimage[bytePos]);
78
79　　　　　　if (gray > 127)
80           {
81           　　// 閾値を超えた場合、白
82               baimage[bytePos] = 0xFF;
83               baimage[bytePos + 1] = 0xFF;
84               baimage[bytePos + 2] = 0xFF;
85           }
86           else
87           {
88           　　// 閾値以下の場合、黒
89               baimage[bytePos] = 0x0;
90               baimage[bytePos + 1] = 0x0;
91               baimage[bytePos + 2] = 0x0;
92           }
93       }
94　　});
95
96　　Marshal.Copy(baimage, 0, bmpDate.Scan0, baimage.Length);
97　　bmp.UnlockBits(bmpDate);
98　　sw.Stop();
99　　label2.Text = sw.ElapsedMilliseconds.ToString();
100
101　　pictureBox1.SizeMode = PictureBoxSizeMode.Zoom;
102　　pictureBox1.Image = bmp;
103}
104
105
106//すべてFor文
107private void Button3_Click(object sender, EventArgs e)
108{
109　　var ofd = new OpenFileDialog();
110　　if (ofd.ShowDialog() != DialogResult.OK)
111　　　　return;
112
113　　var sw = new Stopwatch();
114　　sw.Start();
115
116　　Bitmap bmp = new Bitmap(ofd.FileName);
117　　BitmapData bmpDate = bmp.LockBits(new Rectangle(0, 0, bmp.Width, bmp.Height),
118                 　　　　　　 ImageLockMode.ReadWrite, PixelFormat.Format32bppArgb);
119　　byte[] baimage = new byte[bmp.Width * bmp.Height * 4];
120　　Marshal.Copy(bmpDate.Scan0, baimage, 0, baimage.Length);
121
122　　for (int y = 0; y < bmp.Height; y++)
123　　{
124　　　　for (int x = 0; x < bmp.Width; x++)
125　　　　{
126　　　　　　var bytePos = y * bmp.Width * 4 + x * 4;
127　　　　　　int gray = (int)(0.299 * baimage[bytePos + 2] + 0.587 * baimage[bytePos + 1] + 0.114 * baimage[bytePos]);
128
129　　　　　　if (gray > 127)
130　　　　　　{
131　　　　　　　　// 閾値を超えた場合、白
132　　　　　　　　baimage[bytePos] = 0xFF;
133　　　　　　　　baimage[bytePos + 1] = 0xFF;
134　　　　　　　　baimage[bytePos + 2] = 0xFF;
135　　　　　　}
136　　　　　　else
137　　　　　　{
138　　　　　　　　// 閾値以下の場合、黒
139　　　　　　　　baimage[bytePos] = 0x0;
140　　　　　　　　baimage[bytePos + 1] = 0x0;
141　　　　　　　　baimage[bytePos + 2] = 0x0;
142　　　　　　}
143　　　　}
144　　}
145
146　　Marshal.Copy(baimage, 0, bmpDate.Scan0, baimage.Length);
147　　bmp.UnlockBits(bmpDate);
148　　sw.Stop();
149　　label3.Text = sw.ElapsedMilliseconds.ToString();
150
151　　pictureBox1.SizeMode = PictureBoxSizeMode.Zoom;
152　　pictureBox1.Image = bmp;
153}

似たような記述のint型、計算処理プログラムを作成するも
int型だと別途関数を作成した時の値が狂ってしまいlockする必要が出てきてしまいました。

色々と調べたのですが、分からなかったので教えていただけないでしょうか。

Zuishin

2019/08/03 11:06

質問の意味がよくわかりません。

行動規範の内容に同意します

回答1件

ベストアンサー

・Parallel.Forを関数にすると何故上手くいくのか

関数にするから上手くいくわけではありません。
Bitmapクラスはスレッドセーフではないため、同時アクセスを許しません。
ですので、Parallel.For内でbmp.Widthとアクセスしているのが原因となります。

C#
1var bmpHeight = bmp.Height;
2var bmpWidth = bmp.Width;
3
4Parallel.For(0, bmpHeight, y =>
5{
6    for (int x = 0; x < bmpWidth; x++)
7    {
8        var bytePos = y * bmpWidth * 4 + x * 4;
9        int gray = (int)(0.299 * baimage[bytePos + 2] + 0.587 * baimage[bytePos + 1] + 0.114 * baimage[bytePos]);
10
11        if (gray > 127)
12        {
13            // 閾値を超えた場合、白
14            baimage[bytePos] = 0xFF;
15            baimage[bytePos + 1] = 0xFF;
16            baimage[bytePos + 2] = 0xFF;
17        }
18        else
19        {
20            // 閾値以下の場合、黒
21            baimage[bytePos] = 0x0;
22            baimage[bytePos + 1] = 0x0;
23            baimage[bytePos + 2] = 0x0;
24        }
25    }
26});
27

このように一度変数に受けてやり、その変数を使用するようにすればSystem.InvalidOperationExceptionが発生しません。

・また関数voidなのになぜ値が変更されていのか

C#で配列を引数として渡す場合、配列は参照型ですので、その配列のインスタンスが渡されることになります。
ですので、関数内でその配列の値を変更すると、同じインスタンスですから、呼び出し元の値も変化します。

似たような記述のint型、計算処理プログラムを作成するも

int型だと別途関数を作成した時の値が狂ってしまいlockする必要が出てきてしまいました。

ループ内でその変数を書き換えたりしているのではないですか？
計算に順序性が求められるのであれば、Parallel.Forは順不同ですから期待している計算結果と異なることになるでしょう。

投稿2019/08/03 13:16

編集2019/08/03 13:28

YAmaGNZ

総合スコア10242

Zuishin

2019/08/03 13:19

参照渡しではないことだけ訂正お願いします。参照渡しは ref で渡すことで、これは単に参照型オブジェクトを普通に渡しているにすぎません。

YAmaGNZ

2019/08/03 13:28

確かにそうですね。ご指摘ありがとうございます。

papi1204

2019/08/04 14:38

返事が遅くなり申し訳ありません。まず、関数についてですが配列が参照型という事を失念していました。 int型で試したときは配列でもなく、ループ内で値を変更していたのが原因で上手くできなかったんですね… Parallel.Forについてなんですが、型によってスレッドセーフか否かが決まっていて、スレッドセーフじゃない型は一度変数でクッションを置いたらスレッドセーフになるという認識であってますでしょうか？

papi1204

2019/08/04 14:48

スレッドセーフを調べてきましたが僕の認識が甘かったです。ファイルやグローバル変数等をローカル変数にしてスレッドセーフにしてたんですね。分かりやすく説明して頂きありがとうございます。まだ僕の認識に誤りがあれば指摘して頂けると幸いです。

YAmaGNZ

2019/08/04 22:38

スレッドセーフでないものをマルチスレッドで扱う場合は、同時にアクセスしないように制御することになります。今回の場合は値の読み込みだけで、その値がループしても変化しない状態ですから単純に変数に受ける形ですが、そうでない場合はlockをする等の排他制御が必要となります。また、物によってはスレッドセーフなラッパーが用意されていたり、スレッドセーフな代替クラスがあったりしますので、そういった物を使用することになります。

papi1204

2019/08/05 05:34

詳しい説明ありがとうございます。すごく助かりました!! スレッドセーフのラッパーや代替クラスについては自分で調べたいと思います。

行動規範の内容に同意します