Презентация на тему Java lecture #05 concurrency

этом гораздо более гибкий, чем стандартные java-мониторы
Основные отличия от

synchronized-блоков
Вы сами создаете объект-мьютекс
Вы сами решаете какие ресурсы защищать
Вы сами ответственны за освобождение мьютекса
Можно захватывать мьютекс в одном контексте, а отпускать в другом
Реализация синхронизации на Lock’ах во многих случаях эффективнее synchronized-блоков
Из за большей гибкости она позволяет накладывать более слабые условия на взаимодействия потоков
Lock’и тяжелее отлаживать и диагностировать проблемы, ведь с точки зрения JVM это рядовые объекты. Для synchronized-блокировок всегда можно запросить у JVM Thread dump, который покажет все потоки и взятые ими synchronized-блокировки.

Lock

от synchronized Lock является не средством языка, а обычным

объектом с набором методов
В этом случае критическую секцию ограничивают операции lock() и unlock()

Вызов lock() блокирует, если Lock в данный момент занят, поэтому удобно использовать метод tryLock(), который сразу вернет управление и результат
При использовании Lock не будут работать стандартные методы wait(), notify() и notifyAll(), ведь монитор как таковой не используется
Вместо них используются реализации интерфейса Condition, ассоциированные с Lock: необходимо вызвать Lock.newCondition() и уже у Condition вызывать методы await(), signal() и signalAll()
С одним Lock можно ассоциировать несколько Condition

с Lock’ами представлен
справа
Он гарантирует, что Lock

будет отпущен в
любом случае, даже если при работе с
ресурсом будет выброшено исключение
Для synchronized этот подход неактуален – там средствами языка предоставляется гарантия, что мьютекс будет отпущен
Этот паттерн весьма полезен в любой ситуации, требующей обязательного освобождения ресурсов
Широко используются две основные реализации Lock:
ReentrantLock допускает вложенные критические секции
ReadWriteLock имеет разные механизмы блокировки на чтение и запись, позволяя уменьшить накладные расходы

при освобождении управление отдается тому из ожидающих потоков, который

ждет дольше всех
Fairness не распространяется на действия собственно планировщика потоков
Fair Locks менее производительны, но более предсказуемы, чем Unfair
 В действительности равнодоступность блокировок - очень сильное требование и достигается за счет значительных потерь в производительности
Учет использования системных ресурсов и синхронизация, необходимые для обеспечения равнодоступности означают, что соперничающие равнодоступные блокировки будут иметь гораздо более низкую пропускную способность, чем неравнодоступные
По умолчанию следует установить для равнодоступности значение false, если для правильности вашего алгоритма не критично, чтобы потоки обслуживались точно в порядке очереди.
Блокировки на synchronized изначально unfair и нет способа изменить это поведение

сравнении с Lock, использует генератор псевдослучайных чисел (PRNG).
Диаграммы показывают

пропускную способность в вызовах в секунду, нормализованную до случая synchronized с одним потоком для различных реализаций.
Как видно, реализация основанная на Lock гораздо лучше масштабируется
Тест наглядно показывает, что Fair Lock – достаточно дорогое удовольствие

(compare-and-swap, CAS) – инструкция, поддерживаемая на уровне процессора (lock:cmpxchg)
Она

позволяет сравнить значение с содержимым памяти и при совпадении выполнить запись
Эта инструкция позволяет применять оптимистичные блокировки без переключения контекста потока при занятом ресурсе
Все Atomic-обертки содержат метод compareAndSet(…)

Принцип работы CAS в псевдокоде:
CAS на многопроцессорных машинах будет дороже из-за аппаратной реализации атомарности операции

Compare-And-Set

полезных атомарных операций
boolean compareAndSet(int expect, int update)
int incrementAndGet()
int getAndIncrement()
int

getAndSet(int newValue)
int addAndGet(int delta)
boolean weakCompareAndSet(int expect, int update)

Collections.synchronizedMap(Map m)
Collections.synchronizedSet(Set s)
Они возвращают обертки над коллекциями-аргументами с

синхронизированными методами
Этими методами очень удобно оборачивать уже существующие коллекции
Содержимое можно небезопасно менять путем модификации коллекции-источника
Итерирование требует внешней синхронизации на коллекции
Не очень хорошо масштабируются

методы синхронизированы
Потребляет заметно меньше памяти, чем ConcurrentHashMap
Плохо масштабируется
Последовательности операций

на HashTable могут нуждаться в дополнительной внешней синхронизации, если требуется атомарность
Vector – синхронизированная реализация интерфейса List
Все методы синхронизированы
Не осуществляет копирования при записи
Не дает значительного overhead’а по памяти
Процесс итерирования требует внешней синхронизации на самой коллекции

необходимость атомарности группы операций
Например: «Если в Map нет такого

ключа, то положить его»
Требует двух операций, которые должны выполняться атомарно
Для достижения атомарности придется самостоятельно писать внешние средства синхронизации
Непонятно как увязать их с синхронизацией самой коллекции
ConcurrentMap добавляет к Map методы для обработки часто встречающихся связанных операций на Map:
V putIfAbsent(K key, V value)
что эквивалентно

oldValue, V newValue)




V replace(K key, V value)

на HashMap, но имеет дополнительные механизмы синхронизации
Масштабируется гораздо лучше

HashTable, практически линейно
Не синхронизирует операции чтения
Операции чтения отражают результат последней завершенной операции записи, не учитывая те, что еще в процессе
Итераторы отображают состояние коллекции на момент создания итератора
Позволяет задавать concurrency level – размер сегмента хэш-таблицы, блокируемого на запись
Потребляет заметно больше памяти, чем HashTable

структуру
При записи блокируется не весь Map, а один сегмент
Разрабатываемая

версия 8 будет блокироваться уже на конкретных bucket’ах, а сегменты исчезнут

вертикальную масштабируемость
С какого-то момента добавление новых ядер уже не

дает прироста производительности

блокирующих методов для работы с очередью
Могут быть Fair по

отношению к использующим потокам
ArrayBlockingQueue
Ограниченная очередь на базе массива
PriorityBlockingQueue
Очередь с сортировкой элементов по Comparator’у
Неограниченная очередь
SynchronousQueue
Очередь из одного(!) элемента
Операция добавления блокирует до соответствующей операции чтения из другого потока

Интерфейс BlockingDeueue расширяет BlockingQueue методами работы с обоими концами структуры

операции записи
Уже открытые итераторы при этом не увидят изменений

в коллекции
Эти коллекции следует использовать только когда 90+% операций являются операциями чтения
При частых операциях модификации большая коллекция способна убить производительность
Сортировка этих коллекций не поддерживается, т.к. она подразумевает O(n) операций вставки
Итераторы по этим коллекциям не поддерживают операций модификации

элемента в список:

единственные доступные thread-safe реализации NavigableSet и NavigableMap
Skip List, как

правило, занимает больше памяти, чем хэш-таблица
Гарантирует O(log(n)) для большинства операций
ConcurrentSkipListMap, в отличие от ConcurrentHashMap, не предоставляет средств для performance-тюнинга
ConcurrentSkipListMap также реализует ConcurrentMap
Это единственные упорядоченные thread-safe коллекции

ConcurrentModificationException
Они не являются fail-fast
Они гарантированно отражают состояние коллекции на

момент создания итератора
Итераторы не блокируют другие операции или итераторы на исходной коллекции
При этом они могут содержать и более поздние изменения, но это не гарантируется

на CopyOnWriteArrayList, то исключения не будет

с Runnable

асинхронного исполнения задач
В него передают исполняемый код, а он

заботится о выборе потока для исполнения
При этом он может содержать несколько потоков, обеспечивая их эффективное переиспользование
Класс Executors представляет собой фабрику для создания Executor’ов
Эта фабрика позволяет создавать разнообразные очереди и пулы потоков, избавляя программиста от необходимости писать однообразный инфраструктурный код
Простой пример использования Executor’а представлен ниже

объекты Future, представляющие собой результаты выполнения асинхронных операций
Основные методы:
Submit(…)

– различные варианты этого метода принимают задачу на выполнение
invokeAll()- метод выполнит переданный в него список задач и вернет управление тогда, когда все задачи будут завершены или наступит таймаут
invokeAny()- метод выполнит переданный в него список задач и вернет управление тогда, когда хотя бы одна задача будет завершена или наступит таймаут
shutdown() – при вызове этого метода ExecutorService закончит выполнение текущих задач, но новых принимать уже не будет
Многие Executor’ы, возвращаемые фабрикой Executors на самом деле являются реализациями ExecutorService

операции
Тип-параметр – это тип результата операции
Важные методы интерфейса
get() позволяет

получить результат операции, блокируя, если результата еще нет
cancel() останавливает выполнение задачи, если только она еще не завершена
isDone() позволяет определить, завершена ли задача
Все операции в рамках выполнения задачи happens-before любых операций после вызова метода get()
Самой распространенной реализацией Future является FutureTask
FutureTask также реализует Runnable, так что его экземпляры удобно передавать в Thread или Executor

основанный на следующем рекурсивном алгоритме:
Если задача достаточно мала –

выполнить её
Если нет – разбить на несколько и выполнять их, а результаты агрегировать
Для подзадач вернуться к пункту 1.
Этот подход отлично работает для большого количества однотипных задач

Схема справа представляет
собой типовое дерево задач,
полученное в результате
декомпозиции

Fork/Join

Java включен Fork/Join Framework, который предоставляет инфраструктуру для подобной

декомпозиции
Изначально он входил в JSR-166, который описывал практически все содержимое пакета java.util.concurrent
Тем не менее, ему потребовалось еще 6 лет, чтобы попасть в мейнстрим
При этом существует много сторонних реализаций Fork/Join, например Tymeac

как результат декомпозиции на этапе Fork. Есть две реализации:
RecursiveAction

– не возвращает результат работы для этапа Join
RecursiveTask - возвращает результата типа T для использования на этапе Join
ForkJoinPool – реализация Executor’а для ForkJoinTask
В конструкторе ему можно задать размер пула, по умолчанию он равен количеству процессоров в системе
С каждым потоком связана очередь задач, пополняемая вызовами fork()
Поток исполняет их, начиная с самых новых
Если очередь заканчивается, то поток старается украсть задачи из очередей других потоков пула

Фибоначи методом Fork/Join
Одна часть выполняется в текущем потоке, вторая

– шедулится на Thread pool

с текущим потоком.
Проще говоря, ThreadLocal возвращает каждому потоку свой

экземпляр объекта
Пример ниже иллюстрирует самую распространенную схему использования ThreadLocal: ассоциация объекта с потоком
В данном случае с потоком ассоциируется уникальный идентификатор

более чем n потокам одновременно
N определяется параметром конструктора
При N=1

по действию аналогичен Lock
Fairness – гарантия очередности потоков

счетчика на единицу
await() – текущий поток будет заблокирован пока

значение счетчика не упадет до нуля
Перезапустить CountDownLatch нельзя

Утилитный класс для синхронизации действий потоков
Представляет собой барьер, на котором потоки ждут некоторого события
В основе лежит счетчик, который можно уменьшать от начального значения до нуля

точке выполнения
N задается параметром конструктора
Как только все N потоков

вызовут await() их разом отпустит

Опционально можно задать некий Runnable, который будет выполнен в момент разблокировки
CyclicBarrier можно перезапустить методом reset()