【ITニュース解説】🚀 Java 21 Virtual Threads: A Deep Dive into Mounting & Unmounting

Javaで複数の処理を同時に進める「並行処理」は、システム開発において非常に重要な技術である。これまでJavaでは「プラットフォームスレッド」と呼ばれる仕組みを使って並行処理を実現してきた。このプラットフォームスレッドは、オペレーティングシステム（OS）のスレッドと密接に結びついており、原則として1対1で対応する。OSスレッドはOSが管理するリソースであり、その生成や切り替えには比較的大きなコストがかかる。そのため、サーバー上で同時にたくさんのユーザーからのリクエストを処理しようとすると、プラットフォームスレッドの数が限られてしまい、システム全体のパフォーマンスが低下したり、メモリを大量に消費したりする問題があった。例えば、ウェブアプリケーションで同時に何千、何万ものアクセスをさばく必要がある場合、このプラットフォームスレッドの限界は大きな課題となっていた。

この課題を解決するために、Java 21で「Virtual Threads（仮想スレッド）」という新しい仕組みが導入された。Virtual Threadsは、従来のプラットフォームスレッドとは異なり、非常に軽量なスレッドである。OSスレッドに直接紐付かないため、一つ一つのVirtual Threadの生成にかかるコストは非常に小さく、数万、数十万、あるいはそれ以上の数のVirtual Threadsを同時に生成・実行することが可能になる。これにより、サーバーは以前よりもはるかに多くの並行タスクを効率的に処理できるようになり、システムのスケーラビリティ（拡張性）が大幅に向上する。

Virtual Threadsは軽量であるものの、実際にCPU上で処理を実行するためには、従来のプラットフォームスレッドの助けを借りる必要がある。この役割を担うのが「キャリアスレッド」と呼ばれる特別なプラットフォームスレッドである。キャリアスレッドは、Java仮想マシン（JVM）内部の「ForkJoinPool」という仕組みによって管理されている。ForkJoinPoolは、多数のタスクを効率的に処理するために設計されたスレッドプールのことで、そこに所属する少数のキャリアスレッドが、多数のVirtual Threadsの実行を裏で支える形になる。

Virtual Threadsがキャリアスレッドを利用する際には、「マウント（Mounting）」と「アンマウント（Unmounting）」という重要な概念が関わってくる。マウントとは、あるVirtual Threadが実行されるために、キャリアスレッドに割り当てられることを指す。Virtual Threadは、マウントされることで初めてCPU上で処理を進めることができる。つまり、多数のVirtual Threadsが同時に存在しても、実際にCPUを占有して処理を行っているのは、キャリアスレッドにマウントされているVirtual Threadだけということになる。

一方、アンマウントとは、Virtual Threadがキャリアスレッドから解放されることを指す。これは、Virtual Threadが何らかの理由で一時的に処理を停止しなければならない場合に発生する。その最も典型的な例が「ブロッキングI/O操作」である。ブロッキングI/Oとは、例えばネットワークからデータを読み込んだり、ディスクにファイルを書き込んだりする際に、その処理が完了するまでプログラムの実行が一時的に停止してしまう状態のことだ。従来のプラットフォームスレッドでは、I/O待ちの間もスレッドはリソースを占有し続けたため、その間は他の処理に利用できず、非効率だった。しかし、Virtual Threadsの場合、I/Oブロッキングが発生すると、自動的にそのVirtual Threadはキャリアスレッドからアンマウントされる。キャリアスレッドは解放され、すぐに他のVirtual Threadをマウントして処理を続行できるようになる。ブロッキングI/Oが完了し、Virtual Threadが処理を再開できる状態になると、そのVirtual Threadは再度キャリアスレッドにマウントされ、処理が再開される。

このアンマウントの仕組みこそが、Virtual Threadsが何千もの並行タスクを効率的に処理できる最大の理由である。多くのアプリケーション、特にウェブサービスなどでは、CPUでの計算処理よりも、データベースへのアクセスや外部サービスとの通信といったI/O待ちの時間が大半を占めることが多い。Virtual ThreadsはI/O待ちの間にキャリアスレッドを効率的に再利用できるため、限られたキャリアスレッドというリソースを最大限に活用し、全体の処理能力を飛躍的に向上させることが可能になる。これにより、サーバーのメモリやCPUといったリソースを無駄なく使い、高いスケーラビリティと応答性を実現できるのだ。

Virtual Threadsが特にその真価を発揮するのは、このようなI/O集中型のタスクである。CPU集中型のタスク、つまりひたすら計算処理を続けるようなタスクの場合、Virtual Threadsがアンマウントされる機会は少なく、キャリアスレッドが占有されがちになるため、従来のプラットフォームスレッドと比べて劇的な性能向上は見込めないかもしれない。しかし、現代の多くのビジネスアプリケーションはI/O待ちが多いため、Virtual Threadsは非常に有効なソリューションとなる。

このように、Virtual Threadsの背後にあるマウントとアンマウントの動作を深く理解することは、Javaアプリケーションのパフォーマンスを最大限に引き出し、ボトルネックを回避するために非常に重要だ。この新しい仕組みを適切に活用することで、開発者は並行処理の複雑さを軽減しつつ、より堅牢でスケーラブルなシステムを構築できるようになるだろう。Java 21のVirtual Threadsは、Javaにおける並行処理のあり方を根本から変える、まさに「ゲームチェンジャー」と呼べる技術である。