Javaで安心して使える！スレッドセーフなクラス設計パターン大全

はじめに：マルチスレッドの落とし穴と戦うために

Javaで開発をしていると、複数のスレッドが同時に同じクラスやメソッドを扱うような状況によく出くわします。特にWebアプリケーション、バックグラウンド処理、非同期タスクなどでは、**「スレッドセーフ」**な設計が求められます。

ところが、「とりあえずsynchronizedを付ければ安全」という誤解のまま使ってしまい、あとから性能劣化やデッドロックに悩まされる…ということは多くの現場で起きています。

本記事では、Java初心者や転職を目指す人に向けて、

スレッドセーフとはそもそも何か？
よくある問題とその原因
実務で使える5つの設計パターン
それぞれの使いどころと注意点

をわかりやすく解説します。実践的なコード例も交えて学べるので、設計の質を一段上に高めたい方はぜひ最後までご覧ください。

スレッドセーフとは何か？

「スレッドセーフ（thread-safe）」とは、複数のスレッドが同時に同じオブジェクトを操作しても、結果に矛盾や不具合が起こらない設計のことです。

Javaの世界では以下のような問題が代表的です：

✔ 競合状態（Race Condition）

class Counter {
    private int count = 0;
    public void increment() {
        count++; // 実はスレッド非安全
    }
}

count++は内部で「読み込み→加算→書き込み」という3つの処理をしているため、複数スレッドで同時に実行されると、正しい値にならないことがあります。

✔ 可視性の問題

1つのスレッドが変数を書き換えても、他のスレッドがそれを見られないケースがあります。これはCPUのキャッシュやJVMの最適化による見えない更新です。

使える！スレッドセーフ設計の5つのパターン

それでは、現場でよく使われているスレッドセーフなクラス設計パターンを紹介します。単なる理論ではなく、実際の開発でどう使うのかを意識して解説します。

はじめに：マルチスレッドの落とし穴と戦うために
スレッドセーフとは何か？
1. ✔ 競合状態（Race Condition）
2. ✔ 可視性の問題
使える！スレッドセーフ設計の5つのパターン

1. ステートレスパターン（Stateless Pattern）
2. イミュータブルパターン（Immutable Pattern）
3. モニターパターン（Monitor Pattern）
4. スレッドローカルパターン（ThreadLocal Pattern）
5. 遅延初期化パターン（Lazy Initialization）

1. ステートレスパターン（Stateless Pattern）

✔ 概要

状態（フィールド）を一切持たないクラスにする設計です。状態がなければ、スレッド同士が衝突することもありません。

✔ 使いどころ

ヘルパークラスやユーティリティクラス
単純な計算・変換処理
Web APIのサービスクラス

✔ コード例

public class TaxCalculator {
    public double calculate(double price, double rate) {
        return price * (1 + rate);
    }
}

このように、入力だけに依存して出力を返すなら、スレッドセーフを意識する必要すらありません。

2. イミュータブルパターン（Immutable Pattern）

✔ 概要

オブジェクトの状態を一切変更できないようにする設計です。全てのフィールドをfinalにし、セッターも持たず、コンストラクタでのみ初期化するスタイルです。

✔ 使いどころ

ドメインモデルの値オブジェクト
キャッシュ用のデータ構造
設定値や構成情報を持つクラス

✔ コード例

public final class User {
    private final String name;
    private final int age;

    public User(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() { return name; }
    public int getAge() { return age; }
}

このようなオブジェクトは完全に読み取り専用なので、複数スレッドから使っても安全です。

3. モニターパターン（Monitor Pattern）

✔ 概要

synchronizedやLockを使って、明示的に共有状態のアクセスを制御する設計です。競合が起こる部分をしっかり囲い込むことで、安全性を確保します。

✔ 使いどころ

カウンタ、ログ、コレクションなどの更新処理
同時実行が避けられない処理
書き込みと読み込みの整合性を守りたい場合

✔ コード例

public class SafeCounter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public synchronized int get() {
        return count;
    }
}

このように、共有リソースにアクセスする処理をsynchronizedで囲むことで、競合を防げます。

4. スレッドローカルパターン（ThreadLocal Pattern）

✔ 概要

スレッドごとに専用の変数を持たせる設計です。ThreadLocalを使えば、グローバル変数のように見せかけて、実際はスレッドごとに独立したデータを保持できます。

✔ 使いどころ

日付フォーマッターやパーサー（SimpleDateFormatなど）
スレッドごとの設定やログコンテキスト
スレッド単位で状態を持ちたい場合

✔ コード例

public class DateFormatter {
    private static final ThreadLocal<SimpleDateFormat> formatter =
        ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd"));

    public String format(Date date) {
        return formatter.get().format(date);
    }
}

5. 遅延初期化パターン（Lazy Initialization）

✔ 概要

必要になるまでインスタンスを作らない設計です。スレッドセーフに初期化するために、volatileやDouble-Checked Lockingを使うことがあります。

✔ 使いどころ

シングルトン
重い初期化処理を遅らせたいとき
使用頻度が低いけど必要な処理

✔ コード例

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized(Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}