【ITニュース解説】Multi-Threading Without Threads: The Mind-Bending Java Concurrency Hack

システムエンジニアを目指す皆さんがプログラミングを学ぶ上で、避けて通れないテーマの一つに「並行処理」がある。これは、コンピュータが複数のタスクを同時に、あるいは非常に短い時間で切り替えながら実行することで、全体の処理効率を高めるための技術だ。例えば、ウェブサーバーが多くのユーザーからのリクエストを同時に処理したり、アプリケーションが画面表示をしながら裏でデータをダウンロードしたりする際、この並行処理が活用されている。

これまでのJavaにおける並行処理の主流は、「スレッド」を用いる方法だった。スレッドとは、プログラムの実行単位であり、OS（オペレーティングシステム）が管理する基本的な処理のひとかたまりである。開発者は、並行して実行したい処理をそれぞれのスレッドに割り当て、複数のスレッドを同時に動かすことで、並行処理を実現してきた。しかし、この伝統的なスレッドベースの並行処理にはいくつかの課題があった。

まず、スレッドはOSのリソースを消費する比較的大がかりな存在である。一つのスレッドを作成し、管理するにはそれなりのコストがかかる。そのため、アプリケーションが非常に多くのスレッドを同時に作成しようとすると、システム全体の負荷が大きくなり、メモリ消費が増えたり、スレッド間の切り替え（コンテキストスイッチ）が頻繁に発生してかえって性能が低下したりする可能性があった。例えば、ウェブサーバーが数万、数十万といった多数の同時接続を処理しようとすると、このスレッドのオーバーヘッドが大きなボトルネックとなっていたのだ。

このような課題を解決するため、Javaは「スレッドを使わずに並行処理を実現する」という、一見すると矛盾するような新しいアプローチを導入した。これは、Java 21で正式導入された「仮想スレッド（Virtual Threads）」という機能が核となっている。仮想スレッドは、従来のOSが管理する「プラットフォームスレッド」とは根本的に異なる、非常に軽量なスレッドだ。

仮想スレッドの最も重要な特徴は、開発者が数百万規模の仮想スレッドを簡単に作成・実行できる点にある。これまでのプラットフォームスレッドが、作成数に現実的な上限があったのに対し、仮想スレッドは文字通り無限に近い数の並行処理を可能にする。では、なぜこのようなことが可能なのか。

仮想スレッドの裏側には、Javaの実行環境（JVM）が賢くプラットフォームスレッドを再利用する仕組みがある。仮想スレッドは、それ自体がOSのリソースを直接消費するわけではなく、必要に応じて少数のプラットフォームスレッドの上に「マウント（載せられる）」されて実行される。一つのプラットフォームスレッドは、同時に複数の仮想スレッドを処理する能力を持っているのだ。

具体的に見てみよう。アプリケーションがある仮想スレッドを開始すると、JVMは利用可能なプラットフォームスレッドを探し、その上に仮想スレッドをマウントして実行を開始する。もしその仮想スレッドが、ファイルからの読み込みやネットワークからのデータ受信など、時間のかかる「ブロッキング操作」（処理が完了するまで待機する必要がある操作）に入ったとする。従来のプラットフォームスレッドであれば、そのスレッド全体が待機状態になり、OSリソースを占有し続けることになっていた。

しかし仮想スレッドの場合は異なる。ブロッキング操作に入ると、JVMはその仮想スレッドをプラットフォームスレッドから「アンマウント（降ろす）」し、待機状態に置く。そして、空いたプラットフォームスレッドには、別の準備ができた仮想スレッドを新たにマウントして実行を開始するのだ。ブロッキング操作が完了し、待機していた仮想スレッドが再開可能になると、JVMは再び利用可能なプラットフォームスレッドを探して、その仮想スレッドをマウントし、処理を再開させる。

この仕組みにより、少数のプラットフォームスレッドを最大限に活用し、多数の仮想スレッドを効率的に実行できるようになる。開発者は、あたかも従来のプラットフォームスレッドを多数作成するかのように、シンプルな同期コード（上から順に処理が記述され、ブロッキング操作があっても特に気にしないコード）を書くことができる。JVMが裏で複雑なスケジューリングとプラットフォームスレッドの管理を行うため、開発者はその複雑さに煩わされることなく、非常に多くの同時実行処理を扱うアプリケーションを記述できるようになったのだ。

この仮想スレッドの導入は、Javaの並行処理開発に大きな変革をもたらす。これまでは、多数の同時実行を扱うために、コールバック関数を多用したり、非同期API（例えばCompletableFutureなど）を駆使したりして、コードが複雑になりがちだった。これらの手法は「非同期プログラミング」と呼ばれ、ブロッキングを避けることでリソースを効率的に利用する目的があったが、その代償としてコードの可読性が低下し、デバッグが困難になるという課題があった。

仮想スレッドを使えば、開発者はまるで従来の同期処理を書くように、シンプルで直感的なコードで大量の並行処理を実装できる。ブロッキング操作を恐れる必要がなくなり、コードの複雑さが大幅に軽減されるため、開発効率の向上とバグの削減が期待できる。これは、特にウェブサーバーやマイクロサービスアーキテクチャのような、多数の同時リクエストを扱うシステムにとって計り知れないメリットをもたらす。

まとめると、「スレッドを使わずに並行処理」という表現は、従来のOSが管理する重量なプラットフォームスレッドを直接多数作成するのではなく、Javaの実行環境が提供する軽量な仮想スレッドを使い、その仮想スレッドを少数のプラットフォームスレッド上で効率的に実行する、という新しい並行処理モデルを指している。この技術は、Javaアプリケーションが将来的にますます多くの同時接続や並行処理を、よりシンプルかつ高性能に扱えるようにするための重要な一歩である。システムエンジニアを目指す皆さんにとって、この仮想スレッドの理解は、今後のJava開発の現場で非常に役立つ知識となるだろう。