Virtual Threads -導入の背景と効果的な使い方 - 櫻庭 祐一 Java in the Box

3 分でわかる Virtual Threads JVM が管理する軽量スレッド Fiber 他言語でいうところの スループット向上が目的 I/Oを多く含むシステムで効果的 応答時間はちょっとだけ悪化 従来のスレッドと使い方は同じ 使用上の注意点はある

導入の背景 Agenda 歴史的経緯とともに 動作原理 なぜスループットが向上するのか 効果的な使い方 ユースケースをもとに

導入の背景 歴史的経緯とともに

2004 2011 2014 2023 1995 Java 5 Java 7 Java 8 Java 21 Java 1.0

2004 2011 2014 2023 1995 Java 5 Java 7 Java 8 Java 21 Java 1.0 Single Core の時代 Thread = OSスレッドのラッパー Threadの切替 : スレッドのコンテキストスイッチ OS Threadオブジェクト生成： 重い & メモリ消費大

OS Thread Java Thread JVM Stack new Thread(new Runnable() { public void run() { foo(); } }).start(); run() Frame void foo() { bar(); } foo() void bar() { ... } bar()

OS Thread Java Thread JVM Stack new Thread(new Runnable() { public void run() { foo(); } }).start(); run() Frame void foo() { bar(); } foo() void bar() { ... } bar() run() foo() bar() Operand Stack Local Var.

OS Thread Java Thread JVM Stack run() foo() bar() Operand Stack Local Var. のコンテキストスイッチ Thread のスレッドの状態 OS オブジェクトの状態 Thread JVM Stack + + の退避・復帰

2004 2011 2014 2023 1995 Java 5 Java 7 Java 8 Java 21 Java 1.0 Single Core の時代 Thread = OSスレッドのラッパー Threadの切替 : スレッドのコンテキストスイッチ OS Threadオブジェクト生成： 重い & メモリ消費大 重い & メモリ消費大 コンテキストスイッチをなるべく発生させない スレッドスケジューリング

2011 2014 2023 Java 7 Java 8 Java 21 Java 1.0 1995 2004 Java 5 Multi Core 黎明期 Concurrency Utilities スレッドとタスクの分離 スレッドプール導入 Executors.newFixedThreadPool 応答時間重視 Executors.newCachedThreadPool スループット重視 リクエスト増大 スループット頭打ち Thread per Request/Task

2011 2014 2023 Java 7 Java 8 Java 21 Java 1.0 1995 2004 Java 5 Multi Core 黎明期 public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService { ... private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable { Worker(Runnable firstTask) { setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker this.firstTask = firstTask; this.thread = getThreadFactory().newThread(this); } ... Apache Tomcat 例

2014 2023 Java 8 Java 21 Java 1.0 1995 2004 Java 5 2011 Java 7 Big Dataの時代 Fork/Join Framework 分割統治法 タスクを細粒度に分割して処理 Work-Stealing タスクスケジューラー スレッドごとにタスクキュー キューが空の時は他のスレッドからタスクを盗む 効率的なタスクスケジューリング

業務タスクの特徴 Comp. I/O C I/O I/O C C 通信、 DBアクセスなど I/O処理が多い I/O処理は計算処理に対して多大な時間を要する I/Oの待ち時間が長い その中でも I/O待ちの間 CPUが遊んでしまう I/O待ちの間に他の処理を行いたい

2023 Java 21 Java 1.0 1995 2004 Java 5 2011 Java 7 2014 Java 8 Project Lambda ラムダ式の導入 処理を関数として記述 CompletableFuture Reactive Programming 非同期処理を関数で記述 CompletableFuture Reactive Programming ex. Spring WebFlux Oracle Helidon SE 処理を非同期実行することで スループット向上 I/O とはいうものの 従来の逐次的な記述と考え方が異なる ... 例外処理が ... デバッグが ...

Java 1.0 1995 2004 Java 5 2011 Java 7 2014 Java 8 2023 Java 21 従来の逐次的な記述で 例外処理をあつかいやすく デバッグもやりやすいままで スループットを向上させたい Virtual Threads

動作原理 なぜスループットが向上するのか

Virtual Threads Platform Threadとタスクの仲介 Platform Thread タスクからは と区別がつかない Platform Thread にマウントして実行 Carrier Thread マウントしたスレッドを と呼ぶ 積極的なコンテキストスイッチ 限定継続を導入してコンテキストスイッチの高速化 Work-Stealingによるスレッドスケジューリング 一貫性のあるスタックトレース Carrier Threadが変わってもスタックトレースが切れない

Platform Thread Platform Thread ...... Virtual Thread Task Instantiation

Platform Thread Platform Thread ...... Virtual Thread Task Mount

Platform Thread Platform Thread ...... Virtual Thread Task I/O Wait

Platform Thread Platform Thread ...... Virtual Thread Task Unmount

Platform Thread Platform Thread ...... Virtual Thread Task I/O Interrupt

Platform Thread Platform Thread ...... Virtual Thread Task Mount

Platform Thread Platform Thread ...... Virtual Thread Task I/O待ち時間の活用による大幅なスループット向上 頻繁なコンテキストスイッチによる応答時間の悪化

Platform Thread Platform Thread ...... Virtual Thread Task public int read(ByteBuffer buf) throws IOException { ... readLock.lock(); try { ... configureSocketNonBlockingIfVirtualThread(); n = IOUtil.read(fd, buf, -1, nd); if (blocking) { while (IOStatus.okayToRetry(n) && isOpen()) { park(Net.POLLIN); n = IOUtil.read(fd, buf, -1, nd); } } ... sun.nio.ch.SocketChannelImpl 例

void park() { ... boolean yielded = false; setState(PARKING); try { yielded = yieldContinuation(); } finally { ... } ... } java.lang.VirtualThread private boolean yieldContinuation() { ... unmount(); try { return Continuation.yield(VTHREAD_SCOPE); } finally { mount(); ... } } 限定継続

効果的な使い方 ユースケースをもとに

Virtual Threadsの使い方 ExecutorServiceを介して利用する Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor() Executors.newThreadPerTaskExecutor( Thread.ofVirtual().factory()) or Virtual Threadの直接生成も可能だが、基本はやらない ExecutorServiceを定義する場合だけ 独自の ExecutorServiceはJava 19からAutoClosable

Virtual Threadsの使い方 try (var pool = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) { Runnable task = ...; pool.submit(task); }

VT 使いたい Y FWを使ってる ? VT使う必要なし WebFluxなどのリアクティブ系 or CompletableFutureゴリゴリ書ける Spring Boot, Jakarta EE など FWの対応待ち その他 使ってない or

VT使う必要なし or CompletableFutureゴリゴリ書ける Spring Boot, Jakarta EE など FWの対応待ち その他 使ってない or ボトルネックは？ データ量 / 計算量 ParallelStream Fork/Join FW Vector API File Memory Map DB 通信 / VirtualThread

スレッドの注意点 Virtual Threads 特に synchronizedをなるべく使わないようにする 1. synchronized = モニタロック リソースへのアクセスを 1 つのスレッドだけに限定 他のスレッドをブロックする ボトルネックになりやすい Virtual Threadでは Carrier Threadをブロックしてしまう

スレッドの注意点 Virtual Threads 特に synchronized を使わないようにするには イミュータブルクラスの活用 record 型の利用 状態が変化しなければ複数スレッドからもアクセス可 処理結果の受け渡しがある場合 Callableを使う どうしてもロックが必要であれば synchronizedではなくReentrantLock クラスを使う java.util.concurrent.locksにロッククラスあり 他にも

スレッドの注意点 Virtual Threads 特に ThreadLocal を使わない 2. ThreadLocal はミュータブル & ライフタイムが不明確 Virtual Threads ThreadLocalをサポートしているが は スケールしないためボトルネック化 ScopedValueで代用する Java 21 Preview JEP では ただし FWが ThreadLocal を使っている場合 対応してくれるまで待ちましょう

スレッドの注意点 Virtual Threads 特に スレッドを使いまわさない 3. Virtual Threadsは使い捨て ExecutorService スレッドのプールは にまかせる タスクを記述することに集中しよう クラスの 4. Thread APIをもう 1 度チェック @Deprecated(forRemoval=true)なメソッド stop, suspend, resumeなど

Conclusion Virtual Threadsによりスループットが向上 I/Oの待ち時間を有効活用 Virtual Threadsは従来のスレッドを同じ使い方 使用時の注意点を把握する FWで Virtual Threads がサポートされるのを楽しみに待つ

Virtual Threads -導入の背景と効果的な使い方 - 櫻庭 祐一 Java in the Box