concurrency-review

並行処理レビュースキル

Java の並行処理コードを、正確性、安全性、最新のベストプラクティスの観点からレビューします。

重要な理由

マルチスレッドアプリケーションの約 60% で、共有リソースの管理が不適切なために問題が発生します。- ACM の調査

並行処理のバグには、次のような特徴があります。

• 再現が難しい - タイミングに依存します
• テストが難しい - 負荷がかかったときにしか現れないことがあります
• デバッグが難しい - 動作が非決定的です

このスキルは、本番環境に到達する前に問題を見つけるのに役立ちます。

使用するタイミング

• synchronized、volatile、Lock を使ったコードをレビューするとき
• @Async、CompletableFuture、ExecutorService を確認するとき
• 共有状態のスレッドセーフ性を検証するとき
• 仮想スレッド／構造化並行処理のコードをレビューするとき
• 複数のスレッドからアクセスされるコード全般

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最新の Java（21/25）：仮想スレッド

仮想スレッドを使うタイミング

// ✅ Perfect for I/O-bound tasks (HTTP, DB, file I/O)
try (ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
    for (Request request : requests) {
        executor.submit(() -> callExternalApi(request));
    }
}

// ❌ Not beneficial for CPU-bound tasks
// Use platform threads / ForkJoinPool instead

経験則：アプリで 10,000 個以上のタスクを同時に実行することがない場合、仮想スレッドによる大きな効果は得られない可能性があります。

Java 25：synchronized によるピン留めを修正

Java 21～23 では、ブロッキング処理を含む synchronized ブロックに入ると、仮想スレッドが「ピン留め」されるようになっていました。Java 25 で修正されています（JEP 491）。

// In Java 21-23: ⚠️ Could cause pinning
synchronized (lock) {
    blockingIoCall();  // Virtual thread pinned to carrier
}

// In Java 25: ✅ No longer an issue
// But consider ReentrantLock for explicit control anyway

ThreadLocal より ScopedValue を優先

// ❌ ThreadLocal problematic with virtual threads
private static final ThreadLocal<User> currentUser = new ThreadLocal<>();

// ✅ ScopedValue (Java 21+ preview, improved in 25)
private static final ScopedValue<User> CURRENT_USER = ScopedValue.newInstance();

ScopedValue.where(CURRENT_USER, user).run(() -> {
    // CURRENT_USER.get() available here and in child virtual threads
    processRequest();
});

構造化並行処理（Java 25 プレビュー）

// ✅ Structured concurrency - tasks tied to scope lifecycle
try (StructuredTaskScope.ShutdownOnFailure scope = new StructuredTaskScope.ShutdownOnFailure()) {
    Subtask<User> userTask = scope.fork(() -> fetchUser(id));
    Subtask<Orders> ordersTask = scope.fork(() -> fetchOrders(id));

    scope.join();            // Wait for all
    scope.throwIfFailed();   // Propagate exceptions

    return new Profile(userTask.get(), ordersTask.get());
}
// All subtasks automatically cancelled if scope exits

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Spring の @Async に関する落とし穴

1. @EnableAsync の指定忘れ

// ❌ @Async silently ignored
@Service
public class EmailService {
    @Async
    public void sendEmail(String to) { }
}

// ✅ Enable async processing
@Configuration
@EnableAsync
public class AsyncConfig { }

2. 同じクラスから非同期メソッドを呼び出す

@Service
public class OrderService {

    // ❌ Bypasses proxy - runs synchronously!
    public void processOrder(Order order) {
        sendConfirmation(order);  // Direct call, not async
    }

    @Async
    public void sendConfirmation(Order order) { }
}

// ✅ Inject self or use separate service
@Service
public class OrderService {
    @Autowired
    private EmailService emailService;  // Separate bean

    public void processOrder(Order order) {
        emailService.sendConfirmation(order);  // Proxy call, async works
    }
}

3. public 以外のメソッドに @Async を指定する

// ❌ Non-public methods - proxy can't intercept
@Async
private void processInBackground() { }

@Async
protected void processInBackground() { }

// ✅ Must be public
@Async
public void processInBackground() { }

4. デフォルトの Executor はタスクごとにスレッドを作成する

// ❌ Default SimpleAsyncTaskExecutor - creates new thread each time!
// Can cause OutOfMemoryError under load

// ✅ Configure proper thread pool
@Configuration
@EnableAsync
public class AsyncConfig {

    @Bean
    public Executor taskExecutor() {
        ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor();
        executor.setCorePoolSize(10);
        executor.setMaxPoolSize(50);
        executor.setQueueCapacity(100);
        executor.setThreadNamePrefix("async-");
        executor.setRejectedExecutionHandler(new CallerRunsPolicy());
        executor.initialize();
        return executor;
    }
}

5. SecurityContext が伝播しない

// ❌ SecurityContextHolder is ThreadLocal-bound
@Async
public void auditAction() {
    // SecurityContextHolder.getContext() is NULL here!
    String user = SecurityContextHolder.getContext().getAuthentication().getName();
}

// ✅ Use DelegatingSecurityContextAsyncTaskExecutor
@Bean
public Executor taskExecutor() {
    ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor();
    // ... configure ...
    return new DelegatingSecurityContextAsyncTaskExecutor(executor);
}

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CompletableFuture のパターン

エラー処理

// ❌ Exception silently swallowed
CompletableFuture.supplyAsync(() -> riskyOperation());
// If riskyOperation throws, nobody knows

// ✅ Always handle exceptions
CompletableFuture.supplyAsync(() -> riskyOperation())
    .exceptionally(ex -> {
        log.error("Operation failed", ex);
        return fallbackValue;
    });

// ✅ Or use handle() for both success and failure
CompletableFuture.supplyAsync(() -> riskyOperation())
    .handle((result, ex) -> {
        if (ex != null) {
            log.error("Failed", ex);
            return fallbackValue;
        }
        return result;
    });

タイムアウト処理（Java 9 以降）

// ✅ Fail after timeout
CompletableFuture.supplyAsync(() -> slowOperation())
    .orTimeout(5, TimeUnit.SECONDS);  // Throws TimeoutException

// ✅ Return default after timeout
CompletableFuture.supplyAsync(() -> slowOperation())
    .completeOnTimeout(defaultValue, 5, TimeUnit.SECONDS);

Future の結合

// ✅ Wait for all
CompletableFuture.allOf(future1, future2, future3)
    .thenRun(() -> log.info("All completed"));

// ✅ Wait for first
CompletableFuture.anyOf(future1, future2, future3)
    .thenAccept(result -> log.info("First result: {}", result));

// ✅ Combine results
future1.thenCombine(future2, (r1, r2) -> merge(r1, r2));

適切な Executor を使用する

// ❌ CPU-bound task in ForkJoinPool.commonPool (default)
CompletableFuture.supplyAsync(() -> cpuIntensiveWork());

// ✅ Custom executor for blocking/I/O operations
ExecutorService ioExecutor = Executors.newFixedThreadPool(20);
CompletableFuture.supplyAsync(() -> blockingIoCall(), ioExecutor);

// ✅ In Java 21+, virtual threads for I/O
ExecutorService virtualExecutor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
CompletableFuture.supplyAsync(() -> blockingIoCall(), virtualExecutor);

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従来からある並行処理の問題

競合状態：確認してから実行する

// ❌ Race condition
if (!map.containsKey(key)) {
    map.put(key, computeValue());  // Another thread may have added it
}

// ✅ Atomic operation
map.computeIfAbsent(key, k -> computeValue());

// ❌ Race condition with counter
if (count < MAX) {
    count++;  // Read-check-write is not atomic
}

// ✅ Atomic counter
AtomicInteger count = new AtomicInteger();
count.updateAndGet(c -> c < MAX ? c + 1 : c);

可視性：volatile の指定漏れ

// ❌ Other threads may never see the update
private boolean running = true;

public void stop() {
    running = false;  // May not be visible to other threads
}

public void run() {
    while (running) { }  // May loop forever
}

// ✅ Volatile ensures visibility
private volatile boolean running = true;

long/double の非アトミック性

// ❌ 64-bit read/write is non-atomic on 32-bit JVMs
private long counter;

public void increment() {
    counter++;  // Not atomic!
}

// ✅ Use AtomicLong or synchronization
private AtomicLong counter = new AtomicLong();

// ✅ Or volatile (for single-writer scenarios)
private volatile long counter;

ダブルチェックロック

// ❌ Broken without volatile
private static Singleton instance;

public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        synchronized (Singleton.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();  // May be seen partially constructed
            }
        }
    }
    return instance;
}

// ✅ Correct with volatile
private static volatile Singleton instance;

// ✅ Or use holder class idiom
private static class Holder {
    static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}

public static Singleton getInstance() {
    return Holder.INSTANCE;
}

デッドロック：ロックの順序

// ❌ Potential deadlock
// Thread 1: lock(A) -> lock(B)
// Thread 2: lock(B) -> lock(A)

public void transfer(Account from, Account to, int amount) {
    synchronized (from) {
        synchronized (to) {
            // Transfer logic
        }
    }
}

// ✅ Consistent lock ordering
public void transfer(Account from, Account to, int amount) {
    Account first = from.getId() < to.getId() ? from : to;
    Account second = from.getId() < to.getId() ? to : from;

    synchronized (first) {
        synchronized (second) {
            // Transfer logic
        }
    }
}

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スレッドセーフなコレクション

適切なコレクションを選ぶ

用途	不適切	適切
並行読み取り／書き込み	HashMap	ConcurrentHashMap
反復処理が頻繁	ConcurrentHashMap	CopyOnWriteArrayList
プロデューサーとコンシューマー	ArrayList	BlockingQueue
並行処理とソート	TreeMap	ConcurrentSkipListMap

ConcurrentHashMap に関する落とし穴

// ❌ Non-atomic compound operation
if (!map.containsKey(key)) {
    map.put(key, value);
}

// ✅ Atomic
map.putIfAbsent(key, value);
map.computeIfAbsent(key, k -> createValue());

// ❌ Nested compute can deadlock
map.compute(key1, (k, v) -> {
    return map.compute(key2, ...);  // Deadlock risk!
});

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並行処理レビューのチェックリスト

🔴 重大度：高（バグの可能性が高い）

• 共有状態に対して、同期せずに確認してから実行する処理がない
• synchronized の中で外部コードや未知のコードを呼び出していない（デッドロックの危険性）
• ダブルチェックロックで volatile を指定している
• 更新を待つループで、非 volatile フィールドを読み取っていない
• ConcurrentHashMap.compute() から他のマップ操作を呼び出していない
• @Async メソッドが public で、異なる Bean から呼び出されている

🟡 重大度：中（潜在的な問題）

• スレッドプールのサイズと名前が適切である
• CompletableFuture の例外が処理されている（exceptionally/handle）
• 必要に応じて SecurityContext が非同期タスクに伝播されている
• ExecutorService が適切にシャットダウンされている
• Lock.unlock() が finally ブロック内にある
• 共有データにスレッドセーフなコレクションを使用している

🟢 最新のパターン（Java 21/25）

• I/O バウンドの並行タスクに仮想スレッドを使用している
• ThreadLocal より ScopedValue を使うことを検討している
• 関連するサブタスクに構造化並行処理を使用している
• CompletableFuture の操作にタイムアウトを設定している

📝 ドキュメント

• 共有クラスのスレッドセーフ性を文書化している
• ネストしたロックのロック順序を文書化している
• 各 volatile の使用理由を説明している

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分析コマンド

# Find synchronized blocks
grep -rn "synchronized" --include="*.java"

# Find @Async methods
grep -rn "@Async" --include="*.java"

# Find volatile fields
grep -rn "volatile" --include="*.java"

# Find thread pool creation
grep -rn "Executors\.\|ThreadPoolExecutor\|ExecutorService" --include="*.java"

# Find CompletableFuture without error handling
grep -rn "CompletableFuture\." --include="*.java" | grep -v "exceptionally\|handle\|whenComplete"

# Find ThreadLocal (consider ScopedValue in Java 21+)
grep -rn "ThreadLocal" --include="*.java"