はじめに

こんにちは、もんすんです。

前回のJava11→17編では switch 式・テキストブロック・record・sealed と、書き方を変える機能が一気に登場しました。

今回は Java17→21編です。

Java21も LTS で、その目玉は仮想スレッド(Virtual Threads)です。

JavaでのWeb開発の多くは Spring Boot を介しているため、Virtual Threads を直接書かなくても恩恵を受けられる場面が多いです。
でもその仕組みを知っておくことで、パフォーマンス問題に対する見方が変わります。

また、前回登場した sealed と今回のパターンマッチングが合わさると、switch の書き方がさらに進化します。
この接続も最後に見ていきましょう。

対象読者

Java11→17編を読んだ方（または Java17 の主要機能を知っている方）
Virtual Threads に興味があるが、何がどう変わるのか掴めていない方

Java17からJava21へのレベルアップ

1. Virtual Threads（仮想スレッド）（Java 21 で正式へ）

「スレッドが多いと重い」の常識を変える機能です。

まず前提を整理します。

従来のスレッド（プラットフォームスレッド）

Javaでスレッドを1本立てると、OSのスレッドが1本対応します。
OSスレッドはメモリ（スタックで数百KB〜数MB）を消費し、生成・切り替えにコストがかかります。

// 従来のスレッド
var thread = new Thread(() -> {
    System.out.println("スレッドで実行");
});
thread.start();

Web サーバーでは「リクエスト1件 = スレッド1本」というモデルが一般的でした。
しかしスレッドは重いので、高負荷時にスレッドが枯渇する問題がありました。

これを回避するために非同期プログラミング（CompletableFuture や WebFlux / Reactor）が使われてきました。

しかし非同期コードは難しい。
コールバック地獄、エラーハンドリングの複雑さ、デバッグのしにくさ...など、慣れていないと一気に詰まります。

Virtual Threads が解決すること

// Virtual Thread の作成
var vThread = Thread.ofVirtual().start(() -> {
    System.out.println("仮想スレッドで実行");
});

// Thread.startVirtualThread() でも同じ
Thread.startVirtualThread(() -> {
    System.out.println("仮想スレッドで実行");
});

Virtual Threads は JVM が管理する軽量スレッドです。

	プラットフォームスレッド	Virtual Threads
対応するOSスレッド	1:1	多数のVirtualThreadが少数のOSスレッドを共有
メモリ	数百KB〜数MB	数KB（必要に応じて伸縮）
生成コスト	高い	非常に低い
数の上限	数千程度が現実的	数百万も可能

Virtual Threads が I/O 待ちになると、JVM が自動的に別の Virtual Thread に切り替えます。スレッドがブロックされたまま OSスレッドを占有し続けないので、少ない OSスレッドで大量の並行処理をさばくことができます！

書き方は同期コードのまま

// Virtual Threads を使っても、書き方は普通の同期コード
Thread.startVirtualThread(() -> {
    var response = httpClient.send(request, bodyHandler);  // ここでブロックされても OK
    System.out.println(response.body());
});

非同期で書いたような結果を、同期コードの読みやすさで達成できます。

Spring Boot での活用（実務の本題）

Spring Boot 3.2 以降では、Virtual Threads を1行の設定で有効化できます。

# application.yml
spring:
  threads:
    virtual:
      enabled: true

これだけで、Tomcat が Virtual Threads を使うようになります。
従来のスレッドプールサイズの調整が不要になり、高スループットを同期コードで実現できます。

注意点もある

スレッドローカル変数の使い方に注意
- Virtual Threads は大量に生成される
- そのため、ThreadLocal に大きいオブジェクトを詰め込むとメモリ問題になりうる
synchronized ブロックのピン留め問題
- synchronized ブロック内で Virtual Thread がブロックされると、対応する OSスレッドも固定されてしまい、Virtual Threads の恩恵が減る
- ReentrantLock を使うと回避できる
CPU バウンドな処理には効かない
- Virtual Threads が輝くのは I/O 待ち（データベースアクセス・HTTP 通信等）の多い処理
- 逆にCPU を使い続ける処理は従来のスレッドと変わらない

2. パターンマッチング for `switch`（Java 21 から正式へ）

前回の sealed クラスとここで合流します。instanceof のパターンマッチング(Java16)がそのまま switch 式で使えるようになりました。

Before（Java 17 以前）

static String format(Object obj) {
    if (obj instanceof Integer i) {
        return "整数: " + i;
    } else if (obj instanceof String s) {
        return "文字列: " + s;
    } else if (obj instanceof Double d) {
        return "小数: " + d;
    } else {
        return "その他: " + obj;
    }
}

After（Java 21 以降）

static String format(Object obj) {
    return switch (obj) {
        case Integer i -> "整数: " + i;
        case String s  -> "文字列: " + s;
        case Double d  -> "小数: " + d;
        default        -> "その他: " + obj;
    };
}

型で分岐するコードがスッキリします。

`sealed` クラスとの組み合わせ

// 前回の sealed クラス
sealed interface Shape permits Circle, Rectangle, Triangle {}
record Circle(double radius) implements Shape {}
record Rectangle(double w, double h) implements Shape {}
record Triangle(double base, double height) implements Shape {}

// Java 21 以降のパターンマッチング switch
static double area(Shape shape) {
    return switch (shape) {
        case Circle c    -> Math.PI * c.radius() * c.radius();
        case Rectangle r -> r.w() * r.h();
        case Triangle t  -> t.base() * t.height() / 2;
        // sealed で型が限定されているため default 不要 → コンパイラが網羅を確認
    };
}

sealed で継承先が限定されているので、default なしで全ケースを網羅できます！
新しい型を追加したとき、switch のコンパイルエラーで追加漏れに気づけます。安全です。

3. `record` パターン（Java 21 から正式へ）

record の中身をパターンマッチングで分解できる構文です。

record Point(int x, int y) {}

Object obj = new Point(3, 5);

// record の中身を switch 内で分解
if (obj instanceof Point(int x, int y)) {
    System.out.println("x=" + x + ", y=" + y);  // x=3, y=5
}

// switch 式でも同様
String result = switch (obj) {
    case Point(int x, int y) -> "座標: (" + x + ", " + y + ")";
    default -> "不明";
};

ネストした record でも使えます。

record Line(Point start, Point end) {}

if (obj instanceof Line(Point(int x1, int y1), Point(int x2, int y2))) {
    // x1, y1, x2, y2 がそのまま使える
}

4. Sequenced Collections（Java 21）

「順序を持つコレクション」を統一的に扱うインターフェースが追加されました。

// 先頭・末尾の取得が統一的に
List<String> list = new ArrayList<>(List.of("A", "B", "C"));

list.getFirst();  // "A"
list.getLast();   // "C"

list.addFirst("Z");  // 先頭に追加
list.addLast("D");   // 末尾に追加

list.removeFirst();  // 先頭を削除
list.removeLast();   // 末尾を削除

// reversed() で逆順ビュー
for (var item : list.reversed()) {
    System.out.println(item);
}

LinkedList の getFirst() / getLast() は以前からありましたが、ArrayList や Deque でも同じ API で扱えるようになりました。コレクションの種類を変えてもコードを変えなくてよくなります。

5. String Templates — 文字列テンプレート（Java 21 プレビュー）

※ Java 21 時点ではプレビュー機能です。
正式採用は見送られ、現在(Java25で)も検討中です。
本番コードには使わないことを推奨します。

参考として紹介だけします。
将来こういう書き方ができるかもしれない、という話です。

// 現在は文字列フォーマットに様々な方法がある
var name = "田中";
var age = 30;

// printf スタイル
String.format("名前: %s, 年齢: %d", name, age);

// String Templates（プレビュー・将来の可能性）
// STR."名前: \{name}, 年齢: \{age}"  ← こう書けるかもしれない

実務でJava17→21に上げるときの注意

まず Spring Boot のバージョンを確認

Java 21 の Virtual Threads を Spring Boot で活用するなら、Spring Boot 3.2 以降が必要です。Spring Boot 3 は Jakarta EE 10（jakarta.* 名前空間）ベースです。Spring Boot 2.x のままで Java21 に上げることは不可能ではありませんが、推奨されません。

私の実務では Java8→21 と Spring Boot 2→3 を同時に行いました。
名前空間の変更（javax.* → jakarta.*）が一番ボリュームのある作業でしたが、IntelliJ の一括置換を使うとかなりの部分は機械的に処理できます。

（とはいえ、私の実務においては、実際は手動で変更する必要がありました）

`synchronized` + Virtual Threads のピン留め問題

前述のとおり、既存コードに synchronized が多い場合は注意が必要です。
-Djdk.tracePinnedThreads=full JVM オプションでピン留めが発生している箇所をログに出せるので、Virtual Threads を有効化する前に確認すると安心です。

おわりに

Java は古くてつまらない言語と思われがちです。
しかし振り返ってみると、record 1行のシンプルさ、Virtual Threads のエレガントな解決、パターンマッチングの表現力と、確実に良くなっています。
Java は止まっていません。

一緒にレベルアップを目指していきましょう！

参考