Многопоточное программирование

Многопоточное программирование

Java Advanced

2Georgiy Korneev

Краткое содержание

1. Введение

2. Классические задачи многопоточного программирования

3. Атомарные операции

4. Примитивы синхронизации

5. Решения задач многопоточного программирования

6. Заключение

ВведениеЧасть 1

4Georgiy Korneev

Многопоточное программирование

Программа одновременно имеет несколько потоков исполнения

Потоки должны взаимодействовать (синхронизироваться) друг с другом

5Georgiy Korneev

Пример. Умножение матриц

// Матрицы размера n на ndouble[][] 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]; } }}

6Georgiy Korneev

Пример. Итеративный параллелизм

// Матрицы размера n на ndouble[][] 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]; } }}

7Georgiy Korneev

Пример. Обмен сообщениями (1)

Рабочий потокWorker[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;}

8Georgiy Korneev

Пример. Обмен сообщениями (2)

Управляющий потокcoordinator(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]; }}

9Georgiy Korneev

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;}

10Georgiy Korneev

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;}

11Georgiy Korneev

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 = aread(m, r); if (abs(la + ra - area(l, r)) > EPS) { la = integrate(l, m); // Параллельно ra = integrate(m, r); // Параллельно } return la + ra;}

12Georgiy Korneev

Основные операции

Создание потокаУничтожение потокаНеделимая операция

statementsНеделимая операция с ожиданием

условияawait(C) statements

13Georgiy Korneev

Пример. Поиск максимума (1)

Без синхронизацииint max = 0;

create worker[i] {

if (max < a[i]) max = a[i];

}

С синхронизациейint max = 0;

create worker[i] {

if (max < a[i]) max = a[i]; }

14Georgiy Korneev

Пример. Поиск максимума (2)

Протокол Проверить-Проверить-Установитьint max = 0;

create worker[i] {

if (max < a[i]) {

if (max < a[i]) max = a[i]; }

}

15Georgiy Korneev

Свойства планирования

Справедливость Безусловная Слабая Сильная

БезопасностьЖивучесть

Классические задачи многопоточного программирования

Часть 2

17Georgiy Korneev

Задача доступа к общему ресурсу

Несколько потоков обращаются к общему ресурсу

RT1 T5

T2T3

T4

18Georgiy Korneev

Производитель-потребитель

Один поток производит данные, второй их потребляет

Несколько потоков производят данные и несколько их потребляют

Данные могут храниться в очереди

DataP C

19Georgiy Korneev

Задача о читателях и писателях

Читать могут много потоков одновременноПисать может только один потокЧитать во время записи нельзя

Data

W1

WN

R1

RN

20Georgiy Korneev

Задача об обедающих философах

5 Философов, 5 тарелок, 5 вилок

Философ Думает Ест

Что бы есть нужны обе вилки

21Georgiy Korneev

Задания-работники

Поток-клиент ждет выполнения задания потоком-сервером

Queue

C1

CN

W1

WN

Атомарные операцииЧасть 3

23Georgiy Korneev

Атомарная операция

Операция выполняемая как единое целое Чтение Запись

Неатомарные операции Инкремент Декремент

24Georgiy Korneev

Виды атомарных операций

Операция чтения get

Операция записи set

Операции записи и чтения addAndGet, incAndGet, … getAndAdd, getAndInc, …

Операция условной записи compareAndSet

25Georgiy Korneev

Решение задачи доступа к ресурсу

// Получение доступа к ресурсу

while(!v.compareAndSet(0, 1));

// Действия с ресурсом

// Освобождение ресурса

v.set(0);

Примитивы синхронизации

Часть 4

27Georgiy Korneev

Критическая секция

Только один поток может выполнять действия в критической секции

Именованные критические секции< name: statements >

28Georgiy Korneev

Решение задачи доступа к ресурсу

Доступ производится в критической секции

resource

< resource: // Доступ к ресурсу>

29Georgiy Korneev

Реализации критических секций

На основе блокировки await(!lock) lock = true; // Вход // Критическая секция lock = false; // Выход

На основе атомарных операций while(!lock.compareAndSet(0, 1)); // Вход // Критическая секция lock.set(0); // Выход

30Georgiy Korneev

Блокировка (lock, mutex)

Только один поток может владеть блокировкой

Могут быть использованы для передачи событий

Операции lock получить блокировку unlock отдать блокировку tryLock попробовать получить

блокировку

31Georgiy Korneev

Решение задачи доступа к ресурсу

Доступ ограничен блокировкой lock// Получение блокировкиlock.lock();

// Доступ к ресурсу

// Освобождение блокировкиlock.unlock()

32Georgiy Korneev

Семафор

Хранит количество разрешений на входМогут быть использованы для передачи

событийОперации

acquire получить разрешение release добавить разрешение tryAcquire попробовать получить

разрешение

33Georgiy Korneev

Барьер

Потоки блокируются пока все потоки не прибудут к барьеру Одноразовый Многоразовый

Операции arrive прибытие к барьеру

34Georgiy Korneev

Монитор

Разделяемые переменные инкапсулированы в мониторе

Код в мониторе исполняется не более чем одним потоком

УсловияОперации с условиями

wait ожидание условия notify сообщение об условии одному

потоку notifyAll сообщение об условии всем

потокам

Решение классических задач параллельного программирования

Часть 5

36Georgiy Korneev

Производитель-потребитель

Решение с помощью разделенных блокировок Производитель

empty.lock();

// копирование

full.unlock(); Потребитель

full.lock();

// копирование

empty.unlock();

37Georgiy Korneev

Задания-работники

Решение с помощью монитора Задание

queue.add(task);

queue.notify();

task.wait(); Работник

while (queue.isEmpty()) queue.wait();

Task t = queue.get();

// Обработка задания

t.notify();

38Georgiy Korneev

Задача об обедающих философах

Решение с помощью асимметрии Все философы кроме одного берут сначала

левую, затем правую вилку Оставшийся философ берет сначала правую,

затем левую вилку

39Georgiy Korneev

Задача о читателях и писателях (1)

Решение с помощью блокировки Читатель

if (nr++ == 0) busy.lock(); // Чтение

if (--nr == 0) busy.unlock(); Писатель

busy.lock();

// Запись

busy.unlock();

40Georgiy Korneev

Задача о читателях и писателях (2)

Решение с помощью передачи эстафетыОсобенности решения

Если есть и писатели и читатели, то вход закрывается

Пока есть читатели – разрешать чтение Когда нет читателей – разрешить запись Когда нет ни читателей ни писателей –

открыть вход

41Georgiy Korneev

Задача о читателях и писателях (3)

dr

e

wrdw

nr nw

Data

e

42Georgiy Korneev

Задача о читателях и писателях

Передача эстафетыif (nw == 0 && dr > 0) {

dr--;

r.unlock(); // Возобновить процесс-читатель

else if (nr == 0 && nw == 0 && dw > 0) {

dw--;

w.unlock(); // Возобновить процесс-писатель

} else {

e.unlock(); // Открыть вход

}

43Georgiy Korneev

Задача о читателях и писателях

Читательe.lock();

if (nw > 0) { dr++; e.unlock(); r.lock(); }

// Доступ разрешен

nr++;

// Передача эстафеты

// Чтение

e.lock();

nr--;

// Передача эстафеты

44Georgiy Korneev

Задача о читателях и писателях

Писательe.lock();

if (nw > 0 || nr > 0) { dw++; e.unlock(); w.lock(); }

nw++;

// Передача эстафеты

// Запись

e.lock();

nw--;

// Передача эстафеты

ЗаключениеЧасть 6

46Georgiy Korneev

Ссылки

Эндрюс Г. Основы многопоточного, параллельного и распределенного программирования

Lea D. Concurrent Programming in Java

47Georgiy Korneev

Вопросы