Lambdaのコールドスタート問題と対策について整理する

眞鍋賢司
2024.11.25
 はじめにAWS Lambdaは、サーバーレスアーキテクチャの中心的なサービスであり、インフラ管理の負担を軽減しながら、高いスケーラビリティを持つアプリケーションを構築する手助けをしてくれます。
しかし、Lambdaを使用する際には「コールドスタート」という課題が挙げられます。

特に、応答時間が重要なアプリケーションでは、この問題を無視することはできません。
本ブログでは、コールドスタートの仕組みとその対策について解説し、特にJavaランタイムでの実践的な最適化に焦点を当てていきます。
 LambdaのコールドスタートとはLambdaはイベントが発生したときにのみ実行され、使用されない間は一切のリソースが消費されません。

この仕組みによりコスト効率が高まりますが、同時に「コールドスタート」と呼ばれる問題が発生します。
コールドスタートは、Lambdaの実行環境が更新される下記のタイミングで発生します。
新しいLambdaが最初に実行されるとき
長時間使用されなかったLambdaが実行されるとき
この時、AWSは以下の手順を踏む必要があります
実行環境（コンテナ）の準備
ランタイムの初期化
Lambda関数コードのロード
これらのプロセスは時間を要するため、リクエスト処理の遅延につながります。

これが「コールドスタート」と呼ばれる現象です。
 Lambdaにおけるコールドスタート対策コールドスタートの影響を軽減するため、以下のような対策を検討することが有効です。
軽量なランタイムを選択する
Node.jsやPythonなど、初期化が比較的速いランタイムを選ぶことで、コールドスタートの時間を短縮できます。

Provisioned Concurrencyを利用する
AWSは、Lambdaのインスタンスを事前に起動しておく「Provisioned Concurrency」という機能を提供しています。

予測可能なトラフィックの増加時や、応答速度が特に重要なシステムで役立ちます。

 JavaランタイムのLambdaは特に遅いJavaランタイムのLambdaは、他のランタイムに比べてコールドスタートの時間が長くなる傾向があります。

その理由として、以下の点が挙げられます。
JVMの起動時間
Javaランタイムではコールドスタート時に、JVM（Java Virtual Machine）の起動が必要です。

このプロセスは重く、通常数秒～数十秒程度の時間を要します。

クラスローディング
Javaでは、JVMがクラスローディングを行いながら処理を実行します。

ロードするクラスや変数のサイズに依存しますが、こちらも数秒～数十秒程度の時間を要します。

これらのJava特有の仕様により、他のランタイムと比べてコールドスタート時の実行時間が長くなります。
 JavaランタイムのLambdaにおけるコールドスタート対策 SnapStartの利用AWSは、コールドスタート改善機能「SnapStart」を提供しています。

SnapStartは、2022年11月28日にJavaランタイム専用の機能として提供が開始されましたが、2024年11月18日からはPythonおよび.NETランタイムでも利用可能になりました。
SnapStartはLambda関数の初期化後の状態をスナップショットとして保存し、再利用することで関数の初期化プロセス（JVM起動、クラスローディング、依存関係の初期化など）をスキップします。
利用時の注意点として、グローバルな状態やランダムな値、外部システムやDBとの接続がスナップショット時に含まれます。  複数回Lambda関数が実行された際、従来の「初期化コード」が期待通りに実行されない場合があるため、適切にテストする必要があります。
SnapStartの詳細については以下ユーザーガイドをご参照ください。
Lambda SnapStart による起動パフォーマンスの向上
 クラスローディング処理をハンドラー外に出すJavaでは、staticブロックやstatic変数を活用し、クラスロードやオブジェクトの初期化をハンドラー外で行うことが可能です。

staticブロックやstatic変数はコールドスタート時にのみ実行されるため、コールドスタート以降のリクエスト応答時間を短縮できます。
下記が実装例です。
public class SampleLambdaHandler {
    // HeavyResourceクラスのインスタンスを保持するための静的フィールド
    private static final HeavyResource heavyResource;

    static {
        // 静的初期化ブロックでHeavyResourceのインスタンスを初期化
        heavyResource = new HeavyResource();
    }

    public String handleRequest(Request request, Context context) {
        // HeavyResourceのprocessメソッドを呼び出してリクエストを処理
        return heavyResource.process(request);
    }
}
このように、クラスロードやオブジェクトの初期化をstaticブロックやstatic変数で行うことで、コールドスタート以降はクラスローディングが行われなくなります。
 さいごにAWS Lambdaのコールドスタートは、特に応答時間が重要なシステムにおいて避けられない課題です。

しかし、ランタイムやコード、設定の最適化を行うことで、その影響を軽減することが可能です。
本ブログを参考に、サーバーレスアプリケーションのパフォーマンスを向上させ、スムーズなユーザー体験を提供しましょう！