Thread生成・削除時のオーバーヘッド, 同時に存在できるThread数

Prompt

Javaでの話で、
Threadを生成、削除した時のオーバーヘッドはどの程度の影響？(頻繁に生成してよいか)
同時に動いていいThread数の目安は？
どや

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おう、Javaのスレッド管理、深いところを突いてきたね！ スレッドの生成・削除のオーバーヘッド、そして同時に動かしていいスレッド数の目安かぁ。これらはアプリケーションのパフォーマンスを考える上で、めちゃくちゃ重要な要素だよ。INFPの君が、システムの効率性を追求する姿勢、グレートだぜ！

Threadを生成・削除した時のオーバーヘッドはどの程度の影響？ (頻繁に生成してよいか)

結論から言うと、Threadの生成・削除には無視できないオーバーヘッドがあるため、頻繁に生成・削除するのは「NG」だよ！

オーバーヘッドの要因:

1. OSリソースの確保と解放:

   • JavaのThreadは、内部的にはOSのスレッド（ネイティブスレッド）と1対1で対応していることがほとんどなんだ（JVMの実装によるけど、基本的にはそう考えていい）。

   • スレッドを生成する際には、OSに対してメモリ領域（スタックなど）の確保や、スレッドの管理に必要な内部構造の初期化を要求するんだ。これにはOSコール（システムコール）が伴い、それなりに時間がかかる。

   • スレッドが終了する際にも、確保したリソースの解放処理が必要になるよ。

2. JVMのオーバーヘッド:

   • Java仮想マシン（JVM）も、新しく生成されたスレッドを管理するための内部処理を行う必要がある。スレッドのスケジューリング、監視、ガベージコレクションの関連処理なんかも含まれることがあるよ。

3. コンテキストスイッチの発生:

   • スレッドが新しく生成されてスケジューリングされると、それによってCPUのコンテキストスイッチが発生する可能性が高まる。コンテキストスイッチ自体も小さなオーバーヘッドだよ。

どの程度の影響？

• 具体的な数値は環境や処理内容によって大きく異なるけど、数マイクロ秒から数十マイクロ秒のオーダーでかかることが多いと言われているよ。

• 一回や二回なら問題ないけど、もし1秒間に何十回、何百回もスレッドを生成・削除するような処理があると、そのオーバーヘッドが無視できないほど積もり積もって、アプリケーション全体のパフォーマンスを著しく低下させてしまうんだ。

• 特にサーバーアプリケーションのように多数のリクエストを処理する場合、リクエストごとにスレッドを生成・削除するのは非効率的極まりない。

頻繁な生成・削除は避けるべき！

じゃあどうするかっていうと、解決策はズバリ**「スレッドプール (Thread Pool)」**だよ！

さっきも少し話したけど、スレッドプールは、あらかじめ決められた数のスレッドを生成してプールしておき、タスクが発生したらプールから既存のスレッドを再利用する仕組みだ。タスクが完了したらスレッドは破棄されずにプールに戻され、次のタスクを待機する。

これにより、スレッドの生成・削除のオーバーヘッドを大幅に削減し、効率的にマルチスレッド処理を行えるようになるんだ。Javaではjava.util.concurrent.Executorsクラスを使って簡単にスレッドプールを作成できるよ。

同時に動いていいThread数の目安は？

これもアプリケーションの特性や実行環境（CPU、メモリ）によって大きく変わるんだけど、一般的な目安として、以下の2つの考え方があるよ。

1. CPUコア数を目安にする（CPUバウンドな処理の場合）:

   • もし、スレッドが主にCPUの計算能力を最大限に使うような処理（CPUバウンドな処理、例：複雑な計算、画像処理、データ解析）を行う場合、同時にアクティブに動くスレッドの数は、CPUの論理コア数（物理コア数 × スレッド数/コア、例: ハイパースレッディング）と同程度、または少し多めが目安になることが多いよ。

   • 例えば、4コア8スレッドのCPUなら、8〜16スレッド程度が理想的なパフォーマンスを発揮しやすいと言われることがある。これより多くても、CPUの取り合いになってコンテキストスイッチが増え、かえって効率が落ちることが多いんだ。

2. I/O待機時間も考慮する（I/Oバウンドな処理の場合）:

   • スレッドが主にI/O処理（例：データベースアクセス、ネットワーク通信、ファイル読み書き）を行う場合、I/O処理中はCPUをほとんど使わないで待機している時間が長いよね。

   • この場合、CPUコア数よりもはるかに多くのスレッドを同時に動かしても問題ないことが多いんだ。I/O待機中に別のスレッドがCPUを使えるから、CPUの利用効率を上げられるよ。

   • 具体的な目安は難しいけど、CPUコア数 × (1 + I/O待機時間/CPU処理時間) のような経験則や、負荷テスト（ロードテスト）を行って最適な数を見つけるのが一般的だね。

   • ただし、あまりに多くのスレッドを作りすぎると、メモリを大量消費したり、コンテキストスイッチのオーバーヘッドが無視できなくなったりするから、バランスが重要だよ。

まとめると

• スレッドの生成・削除は重い！ 頻繁にやるならスレッドプールを使おう。

• 同時に動くスレッド数の目安は、処理の内容（CPUバウンドかI/Oバウンドか）とCPUコア数によって変わる。

  • CPUバウンドならCPU論理コア数程度。

  • I/OバウンドならCPU論理コア数よりも多くてもOK。

この「最適化」の考え方って、まるで音楽のオーケストラみたいだと思わない？ 各楽器（スレッド）が最適なタイミングで、最適な役割（CPUバウンド/I/Oバウンド）をこなすことで、最高のハーモニー（パフォーマンス）が生まれるんだ。指揮者（開発者）の腕の見せ所だね！

素晴らしい質問をありがとう！ またいつでも疑問をぶつけてきてくれよ！