JavaScriptのマルチスレッド事情
JavaScriptのマルチスレッド非サポートに関する説明
JavaScriptはなぜマルチスレッドをサポートしないのか？
JavaScriptがマルチスレッドをサポートしない主な理由は、シングルスレッドイベントループモデルを採用しているためです。このモデルでは、JavaScriptエンジンが一つのスレッドでイベントを処理し、非同期操作はイベントループによって管理されます。
シングルスレッドイベントループモデル
- コールバック
非同期操作が完了すると、その結果がイベントループに登録され、適切なタイミングでコールバック関数が実行されます。 - 非同期操作
I/O操作やネットワークリクエストなどの非同期操作は、別スレッドで実行されます。 - イベントループ
JavaScriptエンジンがイベントのキューを監視し、イベントが発生すると適切なコールバック関数を呼び出します。
マルチスレッドの課題
- パフォーマンス
JavaScriptのシングルスレッドモデルは、一般的にパフォーマンスが良好であり、マルチスレッドを追加する必要性があまりありません。 - 複雑性
マルチスレッドプログラミングは複雑であり、バグが発生しやすくなります。 - 共有メモリ
マルチスレッド環境では複数のスレッドが同じメモリ領域にアクセスするため、競合やデッドロックが発生する可能性があります。
代替手段
- Node.jsのワーカープール
Node.jsでは、ワーカープールを使用して複数のスレッドでCPU密集型のタスクを並列処理することができます。 - Web Workers
ブラウザ環境では、Web Workersを使用して別のスレッドでバックグラウンドタスクを実行することができます。
JavaScriptのコードは、一つのスレッド上で順番に実行されます。しかし、非同期な処理（例えば、ネットワークリクエストやタイマーなど）が発生すると、その処理はイベントループに登録され、メインスレッドは次の処理に進みます。非同期処理が完了すると、イベントループはその処理をキューに戻し、適切なタイミングで実行されます。
イメージ
イベントキュー
+--------------------+
| タスク1 |
+--------------------+
| タスク2 |
+--------------------+
| 非同期タスク完了 |
+--------------------+
イベントループ
+--------------------+
| タスク1を実行 |
+--------------------+
| タスク2を実行 |
+--------------------+
| 非同期タスク完了を処理 |
+--------------------+
JavaScriptのマルチスレッド事情
JavaScriptは直接的にマルチスレッドをサポートしませんが、Web WorkersやNode.jsのワーカープールといった仕組みを利用することで、複数のスレッドで処理を並列化することができます。
Web Workers
Web Workersは、メインスレッドとは別のスレッドでJavaScriptコードを実行できる仕組みです。CPU負荷の高い計算処理などをWeb Workersに任せることで、メインスレッドの処理をブロックせずにUIを滑らかに保つことができます。
// メインスレッド
const worker = new Worker('worker.js');
worker.postMessage('計算開始');
worker.onmessage = (event) => {
console.log('計算結果:', event.data);
};
// worker.js
self.onmessage = (event) => {
// ここにCPU負荷の高い計算処理を書く
const result = /* 計算結果 */;
self.postMessage(result);
};
Node.jsのワーカープール
const { Worker } = require('worker_threads');
const workers = [];
for (let i = 0; i < 4; i++) {
workers.push(new Worker('./worker.js'));
}
// 各ワーカーにタスクを割り当てる
JavaScriptはシングルスレッドイベントループモデルを採用しているため、マルチスレッドを直接的にサポートしていません。しかし、Web WorkersやNode.jsのワーカープールといった仕組みを利用することで、非同期処理や並列処理を実現することができます。
注意
- Node.jsのワーカープールは、CPU密集型のタスクに適しており、I/Oバウンドなタスクにはあまり効果的ではありません。
- Web Workersはブラウザ環境で利用可能ですが、Node.jsでは利用できません。
- Atomics
SharedArrayBufferと組み合わせて、スレッド間の同期を安全に行うためのAPIです。 - SharedArrayBuffer
共有メモリ領域を複数のスレッドで共有できる仕組みですが、セキュリティ上の問題から利用が制限されています。
詳細については、以下のリソースをご参照ください。
- Node.jsドキュメント
ワーカープールに関する詳細な解説 - MDN Web Docs
Web Workersに関する詳細な解説
- Web Workersやワーカープールは、JavaScriptのマルチスレッドプログラミングを容易にするための仕組みですが、複雑な並行処理にはより高度な知識が必要になります。
- 上記のコード例は簡略化されており、実際の開発ではエラー処理や例外処理などを考慮する必要があります。
JavaScriptのマルチスレッド代替方法について
JavaScriptはシングルスレッド言語ですが、Web WorkersやNode.jsのワーカープールなど、マルチスレッドのような並行処理を実現するための様々な代替手段が存在します。これらの方法を利用することで、JavaScriptでもCPU負荷の高い処理をバックグラウンドで実行したり、複数のタスクを並行して処理したりすることが可能になります。
- 注意点
- DOMへのアクセスはできない。
- ブラウザのサポート状況を確認する必要がある。
- 利用シーン
- 画像や動画の処理
- 大量のデータの処理
- WebAssemblyのモジュールの実行
- 特徴
- メインスレッドとは別のスレッドでJavaScriptコードを実行できる。
- CPU負荷の高い計算処理をオフロードし、UIの応答性を向上させる。
- メインスレッドとWeb Workerの間はメッセージパッシングで通信する。
- 注意点
- Node.js環境でのみ利用可能。
- 共有メモリは慎重に扱う必要がある。
- 利用シーン
- 画像処理
- 機械学習
- 科学計算
- 特徴
- Node.js環境で複数のワーカーを作成し、タスクを分散処理する。
- CPU密集型の処理に適している。
- 共通のメモリ領域を共有できる（SharedArrayBuffer）。
- Generator
- 関数を一時停止し、再開できる機能。
- 非同期処理のフロー制御に利用できる。
- Promise
- 非同期処理の結果を扱うためのオブジェクト。
- Async/Awaitの基礎となる。
- Async/Await
- 非同期処理を同期的に記述できる。
- マルチスレッドではないが、非同期処理をより直感的に書くことができる。
JavaScriptはシングルスレッド言語ですが、Web WorkersやNode.jsのワーカープールなどの仕組みを利用することで、マルチスレッドのような並行処理を実現することができます。どの方法を選ぶかは、処理の内容や環境によって異なります。
- Async/Await, Promise, Generator
非同期処理をより扱いやすくしたい場合 - Node.jsのワーカープール
Node.js環境でCPU密集型の処理を高速化したい場合 - Web Workers
ブラウザ環境でUIをブロックせずにバックグラウンド処理を行いたい場合
これらの方法を適切に組み合わせることで、JavaScriptの性能を最大限に引き出すことができます。
コード例（Web Workers）
// メインスレッド
const worker = new Worker('worker.js');
worker.postMessage('計算開始');
worker.onmessage = (event) => {
console.log('計算結果:', event.data);
};
// worker.js
self.onmessage = (event) => {
// ここにCPU負荷の高い計算処理を書く
const result = /* 計算結果 */;
self.postMessage(result);
};
const { Worker } = require('worker_threads');
const workers = [];
for (let i = 0; i < 4; i++) {
workers.push(new Worker('./worker.js'));
}
// 各ワーカーにタスクを割り当てる
javascript multithreading browser
