Immutable Object

2025年11月17日

Immutable Object

英語表記: Immutable Object

概要

不変オブジェクト（Immutable Object）とは、一度生成された後、その状態（保持している値や内部データ）を外部から変更できないオブジェクトのことです。これは、並行・並列処理、特にマルチスレッド環境における同期制御と安全性を確保するための、非常に強力で基本的な設計原則の一つです。オブジェクトが不変であるため、複数のスレッドが同時にそのデータを読み取ったとしても、値が途中で書き換えられるリスクが完全に排除されます。この特性により、煩雑な排他制御（ロックやミューテックス）を用いることなく、スレッドセーフな設計を容易に実現できるのです。

詳細解説

不変オブジェクトが、なぜ並行処理において絶大な効果を発揮するのかを理解するには、まず「スレッドセーフではない」状態がどのように発生するかを考える必要があります。並行・並列処理（マルチスレッド）において、複数のスレッドが共通の可変な（Mutable）データに同時にアクセスし、そのうち少なくとも一つが書き込み操作を行う場合に、「データ競合（Race Condition）」という深刻な問題が発生します。この競合状態を防ぐために、通常はロックを用いてアクセスを直列化（同期制御）しますが、ロックは複雑であり、デッドロックやパフォーマンス低下の原因となりがちです。

ここで不変オブジェクトの出番です。不変オブジェクトは、その名の通り「決して変わらない」という性質を持ちます。一度生成されたオブジェクトのフィールドには、初期値が設定された後、二度と代入や変更が行えません。もしスレッドがそのオブジェクトの値を「変更したい」と望んだ場合、実際には元のオブジェクトを上書きするのではなく、変更後の値を持つ新しいオブジェクトを生成するしかありません。

同期制御と安全性の確保

この「変更不可」という特性が、同期制御と安全性の課題を一気に解決します。

読み取りの安全性: 複数のスレッドが同時に不変オブジェクトを読み取る場合、データが途中で変わる心配がないため、同期制御（ロック）は一切必要ありません。スレッドAが読み取りを始めた瞬間の値は、スレッドBが読み取りを終える瞬間まで保証されます。
共有の容易さ: ロックを必要としないため、不変オブジェクトはスレッド間で安全に共有できます。これは、複雑なマルチスレッドアプリケーションにおいて、設計の簡素化とパフォーマンスの向上に直結します。
デバッグの容易さ: 状態の変更が起きないため、プログラムの実行中に予期せぬタイミングでデータが壊れる心配がありません。これは、並行処理で最も難しいとされるバグ（タイミング依存のバグ）の発生を根本から防ぐ、非常に画期的なアイデアなのです。

このように、不変オブジェクトは、スレッドセーフを実現するための「防御的プログラミング」の究極の形であり、特にJavaやC#、Pythonなどのモダンなプログラミング言語において、標準ライブラリやフレームワーク設計の基盤として広く採用されています。並行処理の分野では、いかに可変な状態を減らすかが安全性を高める鍵となるため、この設計思想は非常に重要視されているのです。

具体例・活用シーン

不変オブジェクトは、私たちが日常的に触れるプログラミングの多くの場面で活用されています。

1. 文字列（String）

多くのプログラミング言語（Java, Python, C#など）において、文字列（String）は不変オブジェクトとして設計されています。

例えば、JavaでString s = "Hello";とし、次にs = s + " World";という操作を行ったとします。このとき、元の”Hello”というオブジェクトが変更されるのではなく、新しく”Hello World”という文字列オブジェクトがメモリ上に生成され、変数sがその新しいオブジェクトを参照するように切り替わります。
もし文字列が可変であった場合、複数のスレッドが同じ文字列を同時に操作しようとすると、文字化けやデータ破損が頻繁に発生し、非常に危険です。文字列を不変にすることで、マルチスレッド環境下でも安心して文字列を扱うことが可能になります。

2. 図書館の「蔵書カード」メタファー

不変オブジェクトの動作を理解するための良いメタファーとして、昔ながらの図書館の「蔵書カード」を考えてみましょう。

可変オブジェクトの場合（危険な状態）: 図書館に1枚しかない「蔵書カード」があり、そこに本の現在の場所や貸出状況を鉛筆で書き込むとします。複数の利用者が同時にそのカードに情報を書き込もうとすると、誰が何を書き込んだのかわからなくなり、情報が混ざり合ってしまいます（データ競合）。これを防ぐには、カードの前に立って「今、私が書き込んでいるから触るな！」と叫ぶ（ロックする）必要があります。
不変オブジェクトの場合（安全な状態）: 図書館のスタッフが情報の変更（例えば、本が新しく別の棚に移動した）が必要になった場合、元のカードを消して書き換えるのではなく、新しい情報が完全に記載された新しいカードを作成し、古いカードと置き換えます。
利用者は、常に最新のカードを参照しますが、誰もそのカード自体を書き換えることはできません。これにより、並行して何人もの利用者がカードを閲覧しても、情報が途中で変わる心配がなく、同期制御の必要なしに安全性（スレッドセーフ）が保証されるのです。これは、並行処理におけるデータ共有の理想的な形と言えるでしょう。

3. 設定情報や座標値

アプリケーションの初期設定値や、ゲームにおける3D座標（X, Y, Z）を表すオブジェクトなど、一度決まったら実行中に変わってはいけないデータは、不変オブジェクトとして設計されることが多いです。これにより、設定値を読み取るスレッドが複数存在しても、その安全性が担保されます。

資格試験向けチェックポイント

不変オブジェクトは、特に並行・並列処理におけるスレッドセーフティの文脈で出題されやすい重要概念です。IT Passport、基本情報技術者試験、応用情報技術者試験のいずれにおいても、その利点と可変オブジェクトとの違いが問われます。

「スレッドセーフ」の実現手段: 不変オブジェクトは、ロックやセマフォといった明示的な排他制御メカニズムを使わずに、スレッドセーフを実現できる最も基本的な手段であることを理解しておきましょう。
データ競合の回避: 不変オブジェクトの最大の利点は、データ競合（レースコンディション）を発生させない点です。これは、変更操作が常に新しいオブジェクトの生成を伴うためです。
可変オブジェクトとの対比: 不変オブジェクト（Immutable）と可変オブジェクト（Mutable）の違いを明確に説明できるようにしておく必要があります。「不変」は「変更不可」、「可変」は「変更可能」です。
デメリットの理解: 不変オブジェクトは、変更のたびに新しいオブジェクトを生成するため、頻繁に値が変更されるようなケースでは、メモリの確保（アロケーション）とガベージコレクションの負荷が高くなるというトレードオフがあることを覚えておきましょう。
出題パターン: 「マルチスレッド環境でデータ競合を避けるための設計手法として適切なものはどれか？」といった形で、排他制御と並列に選択肢として登場することが多いです。不変オブジェクトは、排他制御が不要な安全な設計として認識してください。