Java Thread

2025年11月16日

Java Thread

英語表記: Java Thread

概要

Java Thread（Javaスレッド）とは、Javaプログラム内で並行処理（コンカレンシー）を実現するための、実行単位のことです。これは、私たちが今学んでいる「並行・並列処理」を実現するための最も基本的なメカニズムの一つと言えます。

特に、スレッド API の文脈では、Java言語が標準で提供するjava.lang.Threadクラスやjava.lang.Runnableインターフェースといったツール群を指します。開発者はこれらのAPIを使用することで、OSの低レベルなスレッド管理の詳細を意識しすぎることなく、複数のタスクを同時に実行するスレッドプログラミングを効率的に行うことができるのです。これにより、アプリケーションの応答性を高めたり、マルチコアCPUの性能を最大限に引き出したりすることが可能になります。

詳細解説

スレッドプログラミングにおけるJava Threadの役割

Java Threadの存在意義は、並行・並列処理（マルチスレッド） の実現にあります。一つのプロセス内で複数のスレッドが同時に動作することで、ユーザーインターフェース（UI）の応答性を保ちながらバックグラウンドで重い処理を実行するなど、効率的でスムーズなアプリケーション動作が実現します。これは、現代の高性能なシステムを構築する上で欠かせない要素ですね。

プロセスとスレッドの違いを理解することが重要です。プロセスは独立したメモリ空間を持ちますが、Java Threadは同じプロセス内のメモリ空間を共有します。このメモリ共有の特性こそが、スレッドプログラミングの強力さと、同時に難しさ（排他制御の必要性）を生み出しています。

スレッド APIの主要コンポーネント

Javaが提供するスレッド API は、主に以下の2つの方法でスレッドを作成・管理します。

java.lang.Threadクラスの継承:
- このクラスを継承し、run()メソッドをオーバーライドすることで、スレッドが実行する処理を定義します。
- 手軽ですが、Javaは単一継承しかできないため、他のクラスを継承する必要がある場合には使えません。
java.lang.Runnableインターフェースの実装:
- このインターフェースを実装し、run()メソッドに実行したいタスクを記述します。
- その後、このRunnableオブジェクトをThreadクラスのコンストラクタに渡してスレッドを作成します。
- この方法は、クラスの継承の自由度を保てるため、より一般的に推奨されるアプローチです。Java 8以降はラムダ式と組み合わせて非常に簡潔に記述できるようになりました。これは開発者にとって非常に嬉しい進化ですね。

動作の仕組みとライフサイクル

スレッドの実行を開始するには、定義したスレッドオブジェクトに対してstart()メソッドを呼び出します。ここで注意が必要なのは、単にタスクを定義したrun()メソッドを直接呼び出しても、それは通常のメソッド呼び出しとして扱われ、マルチスレッド処理にはならないということです。

start()メソッドが呼び出されると、JVM（Java Virtual Machine）がOSに対して新しいスレッドの生成を依頼し、その新しいスレッド上で定義されたrun()メソッドの処理が並行して実行され始めます。このプロセスは、スレッドプログラミングの基本的なステップです。

Java Threadは、生成されてから終了するまでにいくつかの状態を遷移します（ライフサイクル）。

New（新規）: スレッドオブジェクトが作成された直後。
Runnable（実行可能）: start()が呼び出された後、OSのスケジューラによって実行待ちの状態。
Running（実行中）: CPUによって実際に処理が実行されている状態。
Blocked/Waiting（ブロック/待機）: I/O待ちや、他のスレッドによるロックの解放待ちなどで一時停止している状態。
Terminated（終了）: run()メソッドの処理が完了するか、例外によって停止した状態。

このライフサイクルを理解することは、デッドロックなどのマルチスレッド特有の問題をデバッグする上で、スレッドプログラミングのスキルとして欠かせません。

スレッドの同期（Synchronization）

Java Threadはメモリを共有するため、複数のスレッドが同時に同じデータ（共有リソース）を読み書きしようとすると、結果が予測不能になる「競合状態（Race Condition）」が発生します。これはマルチスレッド処理の最も危険な側面です。

これを防ぐため、Javaのスレッド API は排他制御の仕組みを提供しています。最も一般的なのがsynchronizedキーワードです。

synchronizedキーワードをメソッドやブロックに付与すると、そのコード領域（クリティカルセクション）には一度に一つのスレッドしか入れなくなります。これにより、データの整合性が保たれます。この同期の仕組みこそが、スレッド API が提供する高度な機能であり、安全なスレッドプログラミングを可能にする鍵なのです。

具体例・活用シーン

1. Webサーバーのリクエスト処理

Webアプリケーションのバックエンドでは、Java Threadが非常に活躍します。

例えば、Webサーバー（Tomcatなど）が稼働している状況を想像してみましょう。クライアントA、B、Cから同時にリクエストが来た場合、サーバーはメインスレッドで全てを処理するのではなく、リクエストごとに新しいJava Threadを割り当てます。

クライアントAからのログイン処理をスレッド1が担当。
クライアントBからのデータベース検索をスレッド2が担当。
クライアントCからの画像アップロードをスレッド3が担当。

もしスレッドを使わずに順番に処理した場合、スレッド3の画像アップロード（時間がかかる処理）が終わるまで、クライアントAとBは待たされてしまい、ユーザー体験は最悪になります。しかし、マルチスレッド（Java Thread）を使うことで、それぞれの処理が並行して進むため、サーバーは効率よく、多くのユーザーに迅速に応答できるようになります。これは並行・並列処理の恩恵を最も実感できる例ですね。

2. アナロジー：賑わうレストランのキッチン

Java Threadの働きを理解するために、スレッドプログラミングの概念をレストランのキッチンに例えてみましょう。

プロセス (Process): レストラン全体（建物、在庫、スタッフ全体）。
スレッド (Java Thread): キッチンで働く個々の料理人（シェフ）。
CPUコア: コンロやオーブンといった調理器具（処理能力）。

あるプロセス（レストラン）の中で、複数のスレッド（料理人A、B、C）が同時に動いて料理（タスク）をこなします。

料理人Aはパスタを茹で、料理人Bはサラダを作り、料理人Cはデザートを盛り付けます。彼らは同じ冷蔵庫（共有メモリ）を使いますが、もし「特別なミキサー（共有リソース）」が一つしかなかったらどうなるでしょうか？

料理人Aがミキサーを使っている間に、料理人Bが勝手にミキサーを使い始めると、AのパスタソースとBのサラダドレッシングが混ざってしまい、大失敗（データ競合）が起こります。

ここでスレッド API の同期機能（synchronized）が登場します。料理人Aがミキサーを使う際、「今から私が使うので、終わるまで誰も触らないでください」と宣言する（ロックをかける）ことで、BはAが終わるまで待機します。

このように、Java Threadは複数の料理人を効率的に働かせ、リソースの共有と排他制御によって、安全かつ迅速に多くの注文（タスク）を処理する役割を担っているのです。

3. GUIアプリケーションの応答性

デスクトップアプリケーションやAndroid開発（Java/Kotlin）においても、Java Threadは重要です。ユーザーがボタンを押した際に、裏側で大きなデータ処理が始まったとします。もしその処理がメインスレッド（UIスレッド）で実行されると、UI全体がフリーズしてしまい、ユーザーは何も操作できなくなります。

そこで、重い処理を別個のJava Threadに任せ（バックグラウンドスレッド）、UIスレッドは画面描画やユーザー入力の監視に専念させます。これにより、ユーザーは処理が終わるのを待っている間も、キャンセルボタンを押したり、他のウィンドウを操作したりすることが可能になります。これは、並行・並列処理の技術が直接的にユーザー体験を向上させている例です。