【ITニュース解説】Java 21 ⮕ 25: Performance and Runtime Enhancements #RoadTo25

プログラミング言語Javaは、バージョンアップを重ねるごとに性能と機能性を向上させている。特に近年のJava 21から、将来リリースが予定されているJava 25にかけての進化は著しく、アプリケーションの実行速度や効率を大幅に改善する多くの機能強化が含まれている。これらの変更点を理解することは、高性能なシステムを構築する上で不可欠である。ここでは、Javaのパフォーマンスとランタイムにおける主要な機能強化について、その仕組みと利点を解説する。

まず、Javaのメモリ管理における大きな進歩として、Java 21で導入された「Generational ZGC」が挙げられる。Javaアプリケーションは、実行中にオブジェクトと呼ばれるデータを作成し、不要になったオブジェクトはガベージコレクタ（GC）によって自動的に回収される。ZGCは、このGC処理中にアプリケーションの停止時間を極めて短くすることを目指したコレクタである。Generational ZGCは、このZGCに「世代別」という考え方を組み込んだものだ。プログラムで使われるオブジェクトの多くは、作成後すぐに不要になるという特性を持つ。この特性を利用し、新しく作られた「若い」オブジェクトを格納する領域と、長く使われ続けている「古い」オブジェクトを格納する領域を区別する。そして、頻繁に発生する若いオブジェクトの回収を重点的に行うことで、GC全体の効率を大幅に向上させる。これにより、アプリケーションの応答性を損なうことなく、CPU負荷やメモリ使用量を抑えながら、より高い処理能力を実現できる。

Javaの実行環境であるJVM（Java仮想マシン）も、継続的に最適化されている。その一つが「Intrinsic Methods」の拡充である。これは、Javaの標準ライブラリに含まれる特定のメソッドの呼び出しを、JVMがより高速なCPUのネイティブ命令に直接置き換える仕組みだ。例えば、配列の要素を比較する処理や、文字列の中から特定の文字を検索する処理などが対象となる。Java 21以降のバージョンでは、このようなIntrinsic化されるメソッドが増加しており、開発者が自身のコードを変更することなく、Javaのバージョンを更新するだけで、アプリケーションの基本的な処理性能が自動的に向上するという恩恵を受けられる。これは、Javaプラットフォーム全体の基盤的なパフォーマンスを引き上げる重要な改善点である。

現代のアプリケーション、特にWebサービスでは、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能力が求められる。Java 21で正式機能となった「Virtual Threads」は、この並行処理の分野に革命をもたらした。従来のJavaのスレッド（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）のスレッドと一対一で対応していたため、大量に生成するとOSのリソースを大きく消費し、性能のボトルネックとなっていた。一方、Virtual ThreadsはJVMによって管理される非常に軽量なスレッドであり、少数のプラットフォームスレッド上で多数のVirtual Threadsを効率的に切り替えて実行する。これにより、何百万ものタスクを少ないリソースで並行して処理することが可能になる。開発者は、リクエストごとにスレッドを割り当てるという直感的でシンプルなプログラミングモデルを維持したまま、システムの拡張性を飛躍的に高めることができる。

科学技術計算や機械学習、データ分析といった分野では、大量のデータに対して同じ計算を繰り返し行う処理が頻繁に発生する。このような計算を高速化するため、現在のCPUにはSIMD（Single Instruction, Multiple Data）という、一つの命令で複数のデータを同時に処理する機能が搭載されている。「Vector API」は、JavaプログラムからこのSIMD機能を活用するためのAPIである。まだプレビュー段階の機能ではあるが、これを利用することで、ループ処理などを劇的に高速化できる。例えば、複数の数値の加算を一つずつ行うのではなく、まとめて一度に実行することが可能になる。このAPIが標準化されれば、Javaは高性能計算が求められる領域においても、より強力な選択肢となるだろう。

Javaは単体で完結するだけでなく、C言語などで書かれた既存のネイティブライブラリと連携したり、JVMの管理外にあるメモリ領域を直接操作したりすることで、性能を追求する場合がある。Java 22で正式機能となった「Foreign Function & Memory API」は、こうした外部との連携をより安全かつ効率的に行うための新しい仕組みである。従来のJNI（Java Native Interface）に比べて、よりシンプルで安全性が高く、パフォーマンス面でも優れている。このAPIにより、開発者はJavaの堅牢性を保ちながら、特定の処理を高速なネイティブコードに任せるなど、柔軟なシステム設計が可能になる。

さらに将来を見据えた改善として、「Project Valhalla」が進行中である。このプロジェクトは、Javaにおけるデータのメモリ上の表現方法を根本から見直し、パフォーマンスを向上させることを目的としている。中心的な概念は「Value Object」であり、これは現在のオブジェクトのように個別の識別情報を持たず、値そのものとして扱われる新しいデータ型である。これにより、データをメモリ上に密に配置することが可能になり、CPUキャッシュの利用効率が向上し、計算処理が高速化されると期待されている。これが実現すれば、Javaアプリケーションの性能はさらに一段階上のレベルに引き上げられることになるだろう。Javaは、これらの多岐にわたる機能強化を通じて、今後も高性能で信頼性の高いシステム開発のための主要なプラットフォームであり続けるだろう。