Javaにおけるマルチスレッディングについて – 知っておくべきすべて

現実世界のアプリケーションを実行する際は、高性能なプロセッサを使用してより高速な処理を実現します。しかし、プロセッサの速度だけではアプリケーションを高速に動作させることはできません。パフォーマンス効率の良いアプリケーションを作るためには、マルチスレッディングを活用するのが一つの素晴らしい方法です。

マルチスレッディングとは何ですか？

マルチスレッディングは、アプリケーションが並列で実行されるように、小さなタスクの単位を作成できるプログラミングの概念です。コンピュータで作業をしている場合、複数のアプリケーションが実行され、それぞれに処理能力が割り当てられます。単純なプログラムは順次実行され、コードが一つずつ実行されます。これはシングルスレッディングのアプリケーションです。しかし、プログラミング言語が複数のスレッドを作成し、それらをオペレーティングシステムに渡して並列で実行できる場合、それはマルチスレッディングと呼ばれます。

マルチスレッディング vs マルチプロセッシング

マルチスレッドについて話すとき、機械が2コアのプロセッサーを搭載しているか、16コアのプロセッサーを搭載しているかは関係ありません。私たちの仕事は、マルチスレッドのアプリケーションを作成し、OSが割り当てと実行を処理することです。つまり、マルチスレッドはマルチプロセッシングとは何の関係もありません。

Javaはマルチスレッディングをどのようにサポートしていますか？

Javaは、マルチスレッドアプリケーションをサポートしています。JavaはThreadクラスを通じてマルチスレッドをサポートしています。JavaのThreadを使用すると、タスクを実行する軽量なプロセスを作成することができます。プログラム内で複数のスレッドを作成し、起動することができます。Javaランタイムは、マシンレベルの命令の作成とそれらを並列に実行するためにOSと連携しています。

スレッドには、どのような種類がありますか？

アプリケーションには、ユーザースレッドとデーモンスレッドの2つのタイプのスレッドがあります。アプリケーションを開始すると、最初のユーザースレッドはメインスレッドとして作成されます。ユーザースレッドとデーモンスレッドを複数作成することもできます。すべてのユーザースレッドが実行されると、JVMはプログラムを終了します。

スレッドの優先順位とは何ですか？

スレッドを作成する際に、その優先度を割り当てることができます。異なるスレッドに異なる優先度を設定することも可能ですが、優先度が高いスレッドが常に優先的に実行されるわけではありません。スレッドスケジューラはオペレーティングシステムの実装の一部であり、スレッドが開始されるときはスレッドスケジューラによって制御されます。JVMはその実行に制御を持っていません。

Javaでスレッドを作成する方法はありますか？

私たちは、Runnableインターフェースを実装するか、Threadクラスを拡張することでスレッドを作成することができます。

Thread t = new Thread(new Runnable(){
    @Override
    public void run() {
    }
});

上記は新しいスレッドを作成するための1行の文です。ここでは、無名クラスとしてRunnableを作成しています。もしラムダ式に慣れている場合は、より短いコードでスレッドを作成することもできます。

Runnable runnable = () -> System.out.println("Hello");

スレッドを作成した後は、start()メソッドを呼び出してその実行を開始しなければなりません。

runnable.start();

私は、Javaにおけるマルチスレッディングの概念を説明するためにたくさんの投稿を書いてきました。これらを順番に読んで、マルチスレッディングについてのすべてを学び、実生活での使用方法、スレッドのライフサイクル、スレッドプールなどについて理解することができます。

1. Javaのスレッドと実行可能なインターフェース

ThreadクラスとRunnableインターフェースに関する最初の投稿です。また、プロセスとスレッドについても学びます。スレッドとプロセスの違いは何ですか？スレッドの利点や、RunnableインターフェースとThreadクラスを使用してスレッドを作成する方法についても学びます。この投稿では、RunnableインターフェースとThreadクラスを比較します。

2. Javaのスレッドのスリープ

JavaのThread.sleepは、現在のスレッドの実行を一時停止するために使用されます。私たちは今後の投稿でThread.sleepを広く使う予定なので、それがどのように機能するか、正確なのかを知っておくと良いでしょうか？

3. JavaのThread Join

時には他のスレッドの実行が終わるのを待たなければいけないことがあります。Threadのjoinメソッドを使うことで、その動作方法や使用すべきタイミングを学びましょう。

4. Java スレッドの状態

スレッドの異なる状態を理解することは重要です。スレッドがどのように状態を変化させるのか、またオペレーティングシステムのスレッドスケジューラがスレッドの状態を変更する方法を学びましょう。

5. Javaのスレッドの待機、通知、およびすべて通知

JavaのObjectクラスには、リソースのロック状態を通知するための3つのメソッドがあります。これらのObjectクラスのメソッドの使用例を簡単なWait-Notifyの実装で学びましょう。

6. スレッドセーフティと同期

スレッドはオブジェクトのリソースを共有することがあり、これは操作がアトミックでないためデータの破損につながる可能性があります。異なる方法を使用してJavaでスレッドセーフを実現する方法について学びましょう。正しい同期の使用方法、同期メソッド、および同期ブロックについては、この投稿を読んでください。

7. Javaメインスレッドの例外

JVMはmainメソッドを使って最初のスレッドを作成します。この投稿では、日常生活でよく見るいくつかの一般的な例外と、それらの根本原因、そして修正方法について説明します。

8. シングルトンクラスのスレッドセーフティ

この記事では、シングルトンクラスの基本的な概念を学びます。異なる実装方法におけるスレッドセーフティの問題は何か？また、シングルトンクラスでどのようにスレッドセーフを実現することができるのかについても説明します。

9. Javaにおけるデーモンスレッド

Javaにおいてデーモンスレッドに関する説明とデーモンスレッドの作成方法を紹介するシンプルな記事。

10. Javaのスレッドローカル

私たちは、スレッドがオブジェクトの変数を共有することを知っていますが、もしクラスレベルでスレッド固有の変数を作りたい場合はどうなるでしょうか。Javaは、ThreadLocal便利クラスを提供して、スレッド固有の変数を作成することができます。JavaプログラムでThreadLocal変数を作成する方法については、詳しく説明します。

11. Javaスレッドダンプ

Javaスレッドダンプは、現在のスレッドの情報を提供します。スレッドダンプは、アプリケーションのパフォーマンス問題を分析するのに役立ちます。デッドロックの状況を見つけて修正するために、スレッドダンプを使用することができます。この投稿では、Javaでスレッドダンプを生成するために使用できるさまざまな方法を説明しています。

12. Javaにおけるデッドロックの分析方法を教えてください。

デッドロックは、複数のスレッドがお互いにリソースを解放するのを待ち続けてしまい、循環依存を引き起こす状況です。この記事では、Javaプログラムでデッドロックが発生する可能性のある状況について説明します。どのようにスレッドダンプを使用してデッドロックを見つけ、またJavaプログラムでデッドロックを回避するためのベストプラクティスについても取り上げます。

１３．Javaのタイマースレッド

この投稿では、JavaのTimerクラスとTimerTaskクラスを使用してスケジュールされた間隔で実行するジョブを作成する方法、その使用例を示すプログラム、およびタイマーをキャンセルする方法について説明しています。

14. Javaの生産者と消費者の問題

Java5以前の場合、プロデューサー-コンシューマー問題はwait()とnotify()メソッドを使用して解決することができましたが、BlockingQueueの導入により非常に簡単になりました。Javaでプロデューサー-コンシューマー問題を解決するためにBlockingQueueを使用する方法を学びましょう。

15. Java スレッドプール

Javaのスレッドプールは、ジョブを処理するために待機しているワーカースレッドの集まりです。 Java 5のExecutorフレームワークの導入により、Javaでスレッドプールを作成することが非常に簡単になりました。 ExecutorsとThreadPoolExecutorクラスを使用して、スレッドプールを作成および管理することができます。

16. JavaのCallable Future

Callableを使用することで、スレッドが値を返すことができる場合があります。これはJava 5から追加されたもので、Runnableインターフェースに類似しています。Executorフレームワークを使用することで、Callableタスクを実行することができます。

17. JavaのFutureTaskの例

FutureTaskクラスは、Futureインターフェースを実装したベースの具象クラスです。私たちは、Callableの実装とExecutorsと一緒に使用し、非同期処理を行います。FutureTaskクラスは、タスクの状態を確認し、処理が完了したら呼び出し元のプログラムに値を返すための実装メソッドを提供します。Futureインターフェースの一部の実装メソッドをオーバーライドしたい場合に便利です。

結論

マルチスレッディングは非常に広範なトピックであり、1つの投稿でそれについてすべてを書くことは不可能でした。上記の投稿を順番に読むと、Javaにおけるマルチスレッディングについてすべてが学べます。