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Java のプログラミングを進めていくと「マルチスレッド処理」や「並列処理」という言葉を耳にすることもあるでしょう。

複数の処理を同時に実行され、それらを短期間で処理することが求められるシステムでは、効率的に処理を行うマルチスレッドが求められ、また、不特定多数のユーザーからアクセスされるような Web アプリケーションでは、そもそもマルチスレッド処理は欠かせない技術です。

この記事では、Javaのスレッドを使って、複数の処理を同時に行う方法を解説してきます。

スレッドとは

「スレッド」は Java で処理を行う最小単位で、最低でもメインスレッドと呼ばれる1つのスレッドが作成され、そのスレッド上で Java の処理は実行されます。

1つのスレッドで実行できる命令は1であるため、例えば GUI でネットワーク通信を行うような処理の場合、通信が完了するまで次の命令が実行できないため、GUI が固まった状態の、いわゆるフリーズ状態になります。

そこで Java には Thread クラスや、その他マルチスレッド関連のクラスが用意されており、ネットワーク通信などの時間がかかる処理については、別で作成したスレッドで行わせ、メインスレッドの処理を止めないことで、GUI のフリーズ状態が回避でき応答性の良いアプリケーションを作れます。

また、Web アプリケーションにおいては、ユーザーからアクセス毎にスレッドを起動することで、同時に複数のリクエストを効率的に処理します。

逆に1つのスレッドだけで Webアプリケーションを処理していた場合、1つのリクエストを処理するのに3秒かかり、それが100人のユーザーから同時にアクセスされた場合、最後にリクエストを送信した人の処理が完了するのが 300秒後となり、とめも応答性がよいシステムとは呼べないようでしょう。

マルチスレッドを実装してみよう

マルチスレッドを行う実装として、もっとも基本的なのが Thread クラス継承したクラスを作成しそれを実行する方法です。継承したクラスにスレッド内で処理を行いたい命令を記述し、メインスレッドもしくは親となるスレッドから、 Thread クラス継承したクラスのインスタンスを作成し実行します。

実際に作ってみましょう。

まず、Thread クラス継承したクラスを作成します。スレッド内で行う命令は オーバーライドしたrunメソッドに記述します。

class SampleThread extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("スレッド開始");
        try {
            Thread.sleep(3000); //3秒処理を止める          
        } catch (InterruptedException e) {}
        System.out.println("スレッド終了");
    }
}

次にメインスレッドから、上で作成したクラスのインスタンスを作成し、スレッドを起動する処理を記述します。

class Main {
    public static void main(String[] args) {
        SampleThread t = new SampleThread();
        t.start();
        System.out.println("SampleThreadスレッドを起動");
    }
}

これだけで、複数のスレッドを起動する処理の完成です。サンプルコードを実行して結果を確認してみましょう。

実行結果
-----------------------------
SampleThreadスレッドを起動
スレッド開始
スレッド終了

このように、main 関数では、SampleThread クラスのスレッドの起動後、即座に次の命令が実行され、メインスレッドの処理がブロックされていないことが分かります。

処理の待ち合わせ

複数のスレッドを立ち上げると、それぞれスレッドは独立して命令を上から順に実行していきます。しかし時には○○の処理が終わるまでは、□□の処理は実行できないといった制約もあるでしょう。

複数のスレッド間で、このような処理の待ち合わせを行う場合は、waitnotify および notifyAll メソッドを使用することで、待ち合わせ処理を実装することができます。

wait メソッドは、他のスレッドから notify または notifyAll メソッドが呼び出されるまで、スレッドを一時停止するメソッドで、notify および notifyAll メソッドは、wait で一時停止させたレッドを再開させるためのメソッドです。

具体的なサンプルコードを見てみましょう。

class SampleThread extends Thread {
    public synchronized void run() {
        System.out.println("スレッド開始");
        try {
            wait(); // waitメソッドを呼び出して、notifyが呼ばれるまでスレッドを停止
        } catch (InterruptedException e) {}
        System.out.println("スレッド終了");
    }
}

class Main {
    public static void main(String[] args) {
        SampleThread t = new SampleThread();
        t.start();

        System.out.println("SampleThreadスレッドを起動");

        //3秒処理を止める 
        try {
            Thread.sleep(3000); 
        } catch (InterruptedException e) {}

        synchronized(t) {
            t.notify();    
        }
        System.out.println("notify()呼び出し");
    }
}

上のコードを実行した結果は次のとおりです。t.notify()が呼ばれるまでは、スレッドのwait()メソッドのところで処理が停止しているのが分かります。

実行結果
-------------------------
SampleThreadスレッドを起動
スレッド開始
notify()呼び出し
スレッド終了

これらのメソッドの詳細は、次の記事でも詳しく解説しています。

【関連記事】
【Java】wait・notifyを使ってスレッド間の待ち合わせを実装する

スレッドから戻り値を取得する

Thread クラスの run メソッドは void であり戻り値が返せません。スレッドから戻り値を取得する場合は、Callableクラスと Future インターフェイスを使用します。

まず Callable クラスを継承したクラスを作成します。String 型の値を返す Callableクラスであれば次のような形になります。

public class SampleCallable implements Callable<String> {
    //callメソッドをオーバーライドしてスレッドの処理を書く
    public String call(){
        return "Return Callable Value";
    }
}

Callable クラスのスレッドの呼び出しは、ExecutorServiceクラスを用いて行い、submit メソッドに実行するスレッドのインスタンスを指定します。

ポテパンダの一言メモ

スレッド処理の結果は、Future インターフェースで返ってきます。スレッドの処理が完了すると、Future#getメソッドでスレッドの戻り値が取得できます。

class Main {
    public static void main(String[] args) {  
        ExecutorService ex = Executors.newSingleThreadExecutor();
        //SampleCallableを実行
        Future<String> futureResult = ex.submit(new SampleCallable());      

        try {
            // Future型からスレッドの戻り値を取り出す
            String result = futureResult.get();
            System.out.println(result);
        }catch (Exception e){
            System.out.println(e);
        }
    }
}

まとめ

Java でスレッドを使用する方法を解説してきました。マルチスレッドプログラミングは、プログラミング学習でつまずきやすいポイントでもあるため、しっかりと理解しておきましょう。

【関連記事】
volatile修飾子でJavaのスレッド変数を制御する方法

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