1 / 66

Введение в многопоточное программирование

Java Advanced. Введение в многопоточное программирование. http://kgeorgiy.info/courses/java-advanced/. Краткое содержание. Параллельное исполнение Потоки Блокировки Мониторы и события Модель памяти Java Примеры. Часть 1. Параллельное исполнение. Однозадачные системы.

moe
Download Presentation

Введение в многопоточное программирование

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Java Advanced Введение в многопоточное программирование http://kgeorgiy.info/courses/java-advanced/

  2. Краткое содержание • Параллельное исполнение • Потоки • Блокировки • Мониторы и события • Модель памяти Java • Примеры Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  3. Часть 1 Параллельное исполнение

  4. Однозадачные системы • Одна задача за раз • Пока задача не завершилась – все ждут • Память – монопольное использование • Ввод-вывод – монопольное использование • Пока не завершилась – все ждут • Простой ресурсов • Большое время отклика Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  5. Пакетные • Набор заданий для исполнения (пакет) • Память – разделяемая, изолированная • Ввод-вывод – переключение задач • Управление заданиями – монитор • Псевдопараллельное исполнение • Увеличение загрузки ресурсов • Большое время отклика • 1950-е годы Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  6. Многозадачные системы • Несколько задач конкурируют за процессор • Память – разделяемая, изолированная • Прерывание – переключение задач • Ввод-вывод – разделяемый • Параллельное исполнение • Уменьшение времени отклика • 1960-е годы Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  7. Многопоточные программы • Несколько задач конкурируют за процессор • Память – общая • Прерывание – переключение потоков • Ввод-вывод – разделяемый • Параллельное исполнение кода внутри программы • Уменьшение времени отклика • 1990-е годы Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  8. Многопоточное программирование • Программа одновременно имеет несколько потоков исполнения • Потоки должны взаимодействовать (синхронизироваться) друг с другом Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  9. Пример. Умножение матриц // Матрицы размера n на n double[][] a, b, c; for (int i = 0; i < n; i++) { for (int j = 0; j < n; j++) { c[i][j] = 0; for (int k = 0; k < n; k++) { c[i][j] += a[i][k] * b[k][j]; } } } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  10. Пример. Итеративный параллелизм // Матрицы размера n на n double[][] a, b, c; for (int i = 0; i < n; i++) {// Параллельно for (int j = 0; j < n; j++) {// Параллельно c[i][j] = 0; for (int k = 0; k < n; k++) { c[i][j] += a[i][k] * b[k][j]; } } } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  11. Пример. Обмен сообщениями (1) • Рабочий поток Worker[i] { double[] a;// a[i][*] double[][] b;// b[*][*] double[] c;// c[i][*] receive a, b from coordinator; for (int j = 0; j < n; j++) { c[j] = 0; for (int k = 0; k < n; k++) { c[j] += a[k] * b[k][j]; } } send c to coordinator; } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  12. Пример. Обмен сообщениями (2) • Управляющий поток coordinator(int i) { double[][] a, b, c; for (int i = 0; i < n; i++) { send a[i], b to worker[i]; } for (int i = 0; i < n; i++) { receive c[i] from worker[i]; } } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  13. Пример. Обмен сообщениями (3) worker[i] { double[] a; // a[i][*] double[] b; // b[*][i] double[] c; // a[i][*] receive a, b from coordinator; for (int j = 0; j < n; j++) { double s = 0; for (int k = 0; k < n; k++) { s += a[k] * b[k]; } c[(i + j) % n] = s; send b to worker[(i + 1) % n]; receive b from worker[(i + n - 1) % n]; } send c to coordinator; } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  14. Пример. Вычисление интеграла • Адаптивное вычисление интеграла f(x) double integrate(double l, double r) { if (abs(area(l, m) + area(m, r) - area(l, r)) > EPS) { return integrate(l, m) + integrate(m, r); } else { return area(l, m) + area(m, r); } } double area(double l, double r) { return (f(l) + f(r)) * (r - l) / 2; } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  15. Пример. Рекурсивный параллелизм • Адаптивное вычисление интеграла f(x) double integrate(double l, double r) { double m = (l + r) / 2; double la = area(l, m); double ra = area(m, r); if (abs(la + ra - area(l, r)) > EPS) { la = integrate(l, m); // Параллельно ra = integrate(m, r); // Параллельно } return la + ra; } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  16. Основные операции • Создание потока • Уничтожение потока • Неделимая операция statements • Неделимая операцияс ожиданием условия await(C) statements Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  17. Пример. Поиск максимума (1) • Без синхронизации int max = 0; create worker[i] { if (max < a[i]) max = a[i]; } • С синхронизацией int max = 0; create worker[i] { if (max < a[i]) max = a[i]; } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  18. Пример. Поиск максимума (2) • Протокол Проверить-Проверить-Установить int max = 0; create worker[i] { if (max < a[i]) { if (max < a[i]) max = a[i];  } } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  19. Свойства планирования • Безопасность • Живучесть • Справедливость • Безусловная (отсутствие условий) • Слабая • Сильная Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  20. Часть 2 Потоки

  21. Создание потоков • Класс Thread– поток • Позволяет создавать потоки и производить операции с ними • Интерфейс Runnable – сущность, которая может быть запущена • public void run(); Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  22. Создание потока (Runnable) • Пример кода // Создание потока Thread t = new Thread(new Runnable() { public void run() { System.out.println("Hello"); } }); // Запуск потока t.start(); Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  23. Создание потока (Thread) • Не рекомендуется использовать • Пример кода // Создание потока Thread t = new Thread() { public void run() { System.out.println("Hello"); } }; // Запуск потока t.start(); Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  24. Состояния потока • Состояние потока возвращается методами • intgetState() • boolean isAlive() Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  25. Свойства потока • Основные свойства • id – идентификатор потока • name – имя потока • priority – приоритет • daemon – поток-демон • Свойства потока не могут изменяться после запуска Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  26. Взаимодействие потоков • Создание потока (конструктор) • Запуск потока (start) • Ожидание окончания потока (join) • Прерывание потока (interrupt) Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  27. Ожидание окончания потока • Методы класса Thread • join() – ожидать до завершения • join(long millis) – ожидать до завершения или истечения millis миллисекунд • join(long millis, long nanos) – ожидать до завершения или истечения millis миллисекунди nanosнаносекунд • Все методы ожидания кидают InterruptedExcepton Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  28. Прерывание потока • Методы класса Thread • interrupt() – установить флаг прерывания • isInterrupted() – проверить флаг прерывания • interrupted() – проверить и сбросить флаг прерывания • Методы, которые ожидают в процессе выполнения должны бросать InterruptedException Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  29. Обработка данных в цикле class Worker implements Runnable { publicvoid run() { try { while (!Thread.interrupted()) { // Полезные действия } } catch (InterruptedException e) { } // Исполнение потока прервано // Поток заканчивает работу } } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  30. Дополнительные методы • Приостановка выполнения • sleep(time) – приостановить поток на время • yield() – позволить выполниться другим потокам • Получение текущего потока • currentThread() Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  31. Часть 2 Блокировки (синхронизация)

  32. Блокировка (lock, mutex) • Только один поток может владеть блокировкой • Операции • lock получить блокировку • unlockотдать блокировку Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  33. Блокировки в Java • Любой объект может служить блокировкой • Снятие блокировки производится автоматически • Синтаксис synchronized (o) { // Получение блокировки … }// Снятие блокировки Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  34. Методы экземпляра • Метод экземпляра может быть объявлен синхронизованным public synchronized int getValue() { … } • Эквивалентно public int getValue() { synchronized (this) { … } } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  35. Методы класса • Метод класса может быть объявлен синхронизованным Class Example { public static synchronized int getValue() { … } • Эквивалентно public int getValue() { synchronized (Example.class) { … } } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  36. Производитель-потребитель • Один поток производит данные, второй их потребляет • Несколько потоков производят данные и несколько их потребляют • Данные могут храниться в очереди (не)ограниченного объема Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  37. Интерфейс очереди • Хранит один элемент class Queue { private Object data; public void set(Object data) { … } public Object get() { … } } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  38. Производитель • Установка значения public void set(Object data) { while (true) {// Активное ожидание synchronized (this) { if (data == null) { this.data = data; break; } } } } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  39. Потребитель • Получение значения public Object get() { while (true) {// Активное ожидание synchronized (this) { if (data != null) { Object d = data; data = null; return d; } } } } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  40. Часть 3 Мониторы и условия

  41. Монитор • Любой объект может быть монитором • Передача событий • wait(time?)– ожидание условия • notify() – извещение одного из ждущих потоков • notifyAll() – извещение всех ждущих потоков • Нужно владеть блокировкой • IllegalMonitorStateException Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  42. Мониторы и блокировки • При ожидании монитора блокировка с него снимается • При извещении поток не получает управления пока не может получить блокировку обратно • Псевдокод monitor.unlock() monitor.await() monitor.lock() Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  43. Производитель (2) • Установка значения public synchronized void set(Object data) throws InterruptedException { while (data != null) { wait();// Пассивное ожидание } this.data = data; notify(); } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  44. Потребитель (2) • Получение значения public synchronized Object get() throws InterruptedException { while (data == null) { wait(); // Пассивное ожидание } Object d = data; data = null; notify(); return d; } Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  45. notify() и notifyAll() • События одного вида • Может обработать любой ждущий поток • notify() • Несколько видов событий • Побуждение «Не того» потока • notifyAll() • Более дорогая операция Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  46. Внезапные пробуждения • wait()может завершиться без notify() • Проверить наступление события • Ожидать всегда в цикле • Идиома • while (дождался)wait(); Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  47. Часть 4 Модель памяти Java

  48. Основные свойства • Атомарность • Видимость • Упорядоченность Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  49. Атомарность • Атомарная операция выполняется как единое целое • Операции над всеми типами кроме longи doubleявляются атомарными Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

  50. int a = 0; long b = 0; // T1 a = 1; b = -1; Возможные значения a 0 1 Возможные значения b 0 -1 0xffffffff00000000 0x00000000ffffffff … Пример Java Advanced / Введение в многопоточное программирование

More Related