スレッドの生成とライフサイクル

Javaにおけるスレッドは、複数の方法で生成可能です。それぞれの方法には特徴があり、用途に応じて使い分ける必要があります。

• Threadクラスを継承：run()メソッドをオーバーライドしてスレッド動作を定義します。

class CustomThread extends Thread {
    public void run() {
        // スレッド実行内容
    }
}

// スレッド開始
CustomThread thread = new CustomThread();
thread.start();

• Runnableインターフェースを実装：run()メソッドを提供し、Threadクラスと分離できます。

class Task implements Runnable {
    public void run() {
        // タスク処理
    }
}

// スレッド作成と実行
Task task = new Task();
Thread thread = new Thread(task);
thread.start();

• Callableインターフェースを使用：戻り値を持つタスクを定義できます。

class ResultTask implements Callable<String> {
    public String call() {
        return "完了";
    }
}

ResultTask task = new ResultTask();
FutureTask<String> future = new FutureTask<>(task);
Thread thread = new Thread(future);
thread.start();

• スレッドプール経由：ExecutorServiceでスレッド管理を効率化します。

ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(3);
pool.submit(() -> {
    // タスク内容
});
pool.shutdown();

スレッドの状態遷移：

1. 新規作成（NEW）
2. 実行可能（RUNNABLE）
3. 実行中（RUNNING）
4. 待機中（WAITING/TIMED_WAITING）
5. ブロック中（BLOCKED）
6. 終了（TERMINATED）

synchronizedの内部メカニズム

排他制御にはsynchronizedキーワードが使用され、JVMレベルのロック機構に基づいています。

• 利点：ロックの段階的昇格により、競合が少ない場合のパフォーマンスを最適化します。
• 欠点：ロック粒度が広いと競合が発生しやすくなります。

ロックの昇格プロセス：

• 無ロック状態
• 偏向ロック（一度しかアクセスがない場合）
• 軽量ロック（複数スレッドによる競合）
• 重量ロック（スレッドが多く競合する場合）

ダブルチェックシングルトンの実装

シングルトンインスタンスの初期化には、スレッドセーフな方法が必要です。

public class Singleton {
    private static volatile Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

volatileの必要性：インスタンス生成時の命令の再順序化を防ぎ、完全に初期化されたオブジェクトを確実に返します。

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）の仕組み

AQSは、Javaの同期処理の基盤となるフレームワークです。ReentrantLockやCountDownLatchなどの基底クラスとして利用されます。

• state変数：現在のロックの取得状況を示します。
• Node双方向キュー：ロックを待つスレッドを管理します。

ReentrantLockでの使用例：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

new Thread(() -> {
    lock.lock();
    try {
        // 排他処理
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}).start();

スレッドプールの活用方法

スレッドプールの主な種類：

• 固定サイズスレッドプール：Executors.newFixedThreadPool()
• キャッシュ可能スレッドプール：Executors.newCachedThreadPool()
• 単一スレッドプール：Executors.newSingleThreadExecutor()
• スケジュール付きスレッドプール：Executors.newScheduledThreadPool()

Fork/Joinフレームワークの活用

大規模タスクを分割して並列実行するフレームワークです。

class SumTask extends RecursiveTask<Integer> {
    private final int[] array;
    private final int start;
    private final int end;

    public SumTask(int[] array, int start, int end) {
        this.array = array;
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    protected Integer compute() {
        if (end - start <= 10) {
            return Arrays.stream(array, start, end).sum();
        } else {
            int mid = (start + end) / 2;
            SumTask left = new SumTask(array, start, mid);
            SumTask right = new SumTask(array, mid, end);
            left.fork();
            right.fork();
            return left.join() + right.join();
        }
    }
}