本文へスキップ

Javaにおける遅延読み込みパターン：オンデマンドなオブジェクト初期化によるパフォーマンス向上

パフォーマンス最適化インスタンス化メモリ管理最適化パフォーマンス永続化リソース管理約3分

別名

  • 遅延初期化

遅延読み込みデザインパターンの目的

Javaにおける遅延読み込みデザインパターンは、オブジェクトが実際に必要になるまでオブジェクトの初期化を遅らせることで、メモリ使用量を最小限に抑え、起動時間を短縮します。このテクニックは、Javaアプリケーションのパフォーマンス最適化に不可欠です。

実例を用いた遅延読み込みパターンの詳細な説明

現実世界の例

Javaにおける遅延読み込みパターンの現実世界のアナロジーは、スマートホームの照明の使用です。人が家に入ると同時にすべての照明を点灯させる代わりに、モーションセンサーが検知し、使用されている部屋の照明のみを点灯させます。これは、Java開発者がオブジェクトの作成を遅らせることでパフォーマンスを最適化する方法を反映しています。

簡単に言うと

遅延読み込みパターンは、オブジェクトやリソースが実際に必要になるまでその作成を遅らせ、メモリ使用量を最適化し、パフォーマンスを向上させます。

Wikipediaによると

遅延読み込み（非同期読み込みとも呼ばれる）は、コンピュータプログラミング、特にウェブデザインとウェブ開発で使用されるテクニックであり、オブジェクトの初期化を必要になるまで遅らせます。適切に使用すれば、プログラムの動作効率に貢献します。これは、ネットワークコンテンツにアクセスし、初期化時間を最小限に抑える必要があるユースケース（ウェブページなど）に最適です。たとえば、ウェブページ上の画像の読み込みを閲覧が必要になるまで遅らせることで、ウェブページの最初の表示速度を速くすることができます。遅延読み込みの反対は、早期読み込みです。

Javaにおける遅延読み込みパターンのプログラミング例

遅延読み込みデザインパターンは、オブジェクトまたはコストのかかる計算の初期化を絶対に必要になるまで遅らせるパフォーマンス最適化テクニックです。このパターンは、不要な計算を回避し、メモリ使用量を削減することにより、アプリケーションのパフォーマンスを大幅に向上させることができます。

提供されたコードでは、`App`、`HolderNaive`、`HolderThreadSafe`、`Java8Holder`クラスで遅延読み込みパターンの例を見ることができます。

`App`クラスはアプリケーションのエントリポイントです。`HolderNaive`、`HolderThreadSafe`、`Java8Holder`のインスタンスを作成し、それらから`Heavy`オブジェクトを取得します。

@Slf4j
public class App {

  public static void main(String[] args) {

    var holderNaive = new HolderNaive();
    var heavy = holderNaive.getHeavy();
    LOGGER.info("heavy={}", heavy);

    var holderThreadSafe = new HolderThreadSafe();
    var another = holderThreadSafe.getHeavy();
    LOGGER.info("another={}", another);

    var java8Holder = new Java8Holder();
    var next = java8Holder.getHeavy();
    LOGGER.info("next={}", next);
  }
}

`HolderNaive`、`HolderThreadSafe`、`Java8Holder`クラスは、洗練度が増していく遅延読み込みパターンの実装です。

`HolderNaive`クラスは、シンプルでスレッドセーフではないパターンの実装です。

public class HolderNaive {
  private Heavy heavy;

  public HolderNaive() {
      LOGGER.info("HolderNaive created");
  }

  public Heavy getHeavy() {
    if (heavy == null) {
      heavy = new Heavy();
    }
    return heavy;
  }
}

`HolderThreadSafe`クラスは、スレッドセーフなパターンの実装ですが、各アクセスで重い同期処理を行います。

public class HolderThreadSafe {
  private Heavy heavy;

  public synchronized Heavy getHeavy() {
    if (heavy == null) {
      heavy = new Heavy();
    }
    return heavy;
  }
}

`Java8Holder`クラスは、Java 8の機能を利用した最も効率的なパターンの実装です。

public class Java8Holder {

  private Supplier<Heavy> heavy = this::createAndCacheHeavy;

  public Java8Holder() {
      LOGGER.info("Java8Holder created");
  }

  public Heavy getHeavy() {
    return heavy.get();
  }

  private synchronized Heavy createAndCacheHeavy() {
    class HeavyFactory implements Supplier<Heavy> {
      private final Heavy heavyInstance = new Heavy();

      public Heavy get() {
        return heavyInstance;
      }
    }

    if (!(heavy instanceof HeavyFactory)) {
      heavy = new HeavyFactory();
    }

    return heavy.get();
  }
}

この例では、`App`クラスは`HolderNaive`、`HolderThreadSafe`、`Java8Holder`から`Heavy`オブジェクトを取得します。これらのクラスは、`Heavy`オブジェクトが実際に必要になるまでその作成を遅らせ、遅延読み込みパターンを示しています。

Javaで遅延読み込みパターンを使用するケース

遅延読み込みを使用するケース

  • オブジェクトの作成に多くのリソースが必要で、常に使用されるとは限らない場合。
  • メモリ使用量を最適化したり、起動時間を短縮するために、オブジェクトの作成を遅らせる必要がある場合。
  • データやリソースの読み込みを、アプリケーションの起動時ではなく、必要な時に実行する必要がある場合。

Javaにおける遅延読み込みパターンの現実世界のアプリケーション

  • Hibernate（Java ORMフレームワーク）：関連オブジェクトの読み込みをアクセスされるまで遅らせ、Javaアプリケーションのパフォーマンスを最適化するために遅延読み込みパターンを利用します。
  • JPAアノテーション @OneToOne、@OneToMany、@ManyToOne、@ManyToMany および fetch = FetchType.LAZY
  • Springフレームワーク（依存性注入）：必要な場合のみBeanを読み込むことで、アプリケーションの起動時間を短縮します。

遅延読み込みパターンのメリットとトレードオフ

メリット

  • 必要な場合のみオブジェクトを初期化することで、メモリ使用量を削減します。
  • 高コストなオブジェクトの作成を延期することで、アプリケーションの起動パフォーマンスを向上させます。

トレードオフ

  • オブジェクトが相互依存している場合、実装が複雑になります。
  • 予期しない時点で初期化が行われると、レイテンシのスパイクのリスクがあります。
  • プロキシ：遅延読み込みされたオブジェクトのプレースホルダーとして機能し、必要になるまで実際の読み込みを遅らせます。
  • 仮想プロキシ：オンデマンドでオブジェクトの作成を処理する特定の種類のプロキシ。
  • シングルトン：オブジェクトのインスタンスが1つだけ作成され、遅延読み込みによって読み込まれるようにするために、多くの場合遅延読み込みと組み合わせて使用されます。

参考文献とクレジット

MITライセンス
Copyright © 2024 iluwatar