Parallel Programming, Parallel Computing, Multithreading, Single-Threading, MainThread, nebenläufige Programmierung, asynchrone Programmierung ...

In diesem Themenbereich beginnen wir mit einem Einblick in herkömmliche Threads sowie Runnables und steigen aber gleich tief in die Java Concurrency API Interfaces und Klassen ein. Die Prinzipien und Problemstellung rund und Parallel Computing sowie die gängigen Klassen nebst dem Unterschied zwischen blockenden, nicht-blockenden Threads sowie synchronisierten und nicht synchronisierten Membern von Klassen ist für die Collection Stream API dringend anzuraten, um Concurrent Modification Exceptions CMEs zu vermeiden.

JAVA-B4 Parallel Computing (Intro) Klassische Threads ConcurrentAPI ...

In einem ersten Schritt zur Einführung in Parallel Computing und damit nebenläufige Programmierung geben wir einen grundlegenden Überblick über die maßgebenden Prinzipien und Begriffe.

Java unterstützt wirkliches Multithreading im Gegensatz zu der ähnlich klingenden Programmiersprache JavaScript, welche single-threaded ist. Dieses führt zu einer ganzen Reihe von Features und damit Fähigkeiten, die Java bietet. Es gilt aber im Gegenzug auch zu verstehen, welche Folgen diese technischen Möglichkeiten haben, wenn man denn die möglichen Problemstellungen nicht kennt.

Parallel Computing Overview

In einem ersten Schritt zur Einführung in Parallel Computing und damit nebenläufige Programmierung geben wir einen grundlegenden Überblick über die maßgebenden Prinzipien und Begriffe.

Java unterstützt wirkliches Multithreading im Gegensatz zu der ähnlich klingenden Programmiersprache JavaScript, welche single-threaded ist. Dieses führt zu einer ganzen Reihe von Features und damit Fähigkeiten, die Java bietet. Es gilt aber im Gegenzug auch zu verstehen, welche Folgen diese technischen Möglichkeiten haben, wenn man denn die möglichen Problemstellungen nicht kennt.

Threads & Runnables Overview Threads

Jeder Threads hat einen Lebenszyklus. Er wird geschaffen, lebt, wird von Zeit zu Zeit mal ausgeführt oder schläft. Und irgendwann hat er ein selbst gewähltes Ende oder wird im Falle einer Dauerschleife mit anderen Maßnahmen beendet.

Das Problem in der Praxis: Man hat nicht nur einen Thread sondern 2 und mehr. Es beginnt schon damit, dass der MainThread der erste Thread ist, ohne dass wir diesen erzeugen müssen. Will man mehrere Threads erzeugen und an einer bestimmten Stelle im Programm nebenläufige Prozesse wieder zusammenführen, muss man nicht mit dem Fork und Join von Threads befassen. In diesem Themenblock wählen wir den grundlegenden Weg.

Thread Lifecycle Thread Lifecycle Overview start() run() join() Don't use stop() DEMO

Java differenziert mitunter User-Threads und Daemon-Threads. Der Unterschied ist bedeutsam.

In einem Beispiel zeigen wir, wie man User- und Daemon-Threads erzeugt und was hierbei die Folgen für den Programmverlauf und die Ausführung der eigentlichen nebenläufige Programmschritte sind.

Daemon Threads Overview

Wenn nebenläufige Programmbestandteile in einzelnen Threads laufen, kommt früher oder später der Zeitpunkt, an welchen diese die selbe Ressource wie beispielsweise ein Objekt verwenden wollen. Dieser Zugriff muss synchronisiert werden. Dieses Prinzip kann zugleich als Monitor verwendet werden.

In unserem Beispiel zeigen wir, welchen Einfluss die Vergabe von Prioritäten für MachineThread-Instanzen haben können, welche wir in eigenen Worker-Threads laufen lassen.

Thread Priority Overview

Threads werden früher oder später Daten austauschen und hierbei den Zugriff auf Daten steuern müssen. Zu diesem Zweck ist es möglich, sich einen Monitor zu erzeugen und den Zugriff hierauf zu synchronisieren. Die Voraussetzung für eine Zusammenarbeit der Threads besteht darin, dass sich diese gegenseitig rund um den Lock des Monitors benachrichtigen können.

Wir erzeugen uns einen Monitor und spielen die Notification durch.

Thread Notification Overview Monitor Beispiel

Die Java Concurrency API erweitert maßgeblich das Erstellen, Verwalten und das Monitoring von Threads. Die Verwaltung über Executors, Tasks, Pools, Scheduler und mehr macht vieles einfacher. Die Voraussetzung besteht allerdings darin, dass man zuerst einmal versteht, welchen Typ an parallelen Architekturen man mit welchem Ansatz realisieren kann.

Bevor wir uns im Detail mit den jeweiligen Features befassen geben wir zu Beginn einen Einblick und Überblick, warum, wo und ab wann man diese Techniken einsetzen und herkömmliche Verfahren mit klassischen Threads überarbeiten sollte. Unsere Intro für den Sprung von Threads zu Concurrency API.

Java Concurrency Overview

Anmerkung: Es kam der Hinweis auf, dass einmal der technische Hintergrund von Threads im Hinblick auf Prozessoren, Single- und Multi-Threads genauer erklärt wird. Wir verweisen an diesem Aspekt darauf, dass es noch immer eine Suchmaschine Ihres Vertrauens, Wikipedia und eine KI gibt, welches alles aus zig Quellen gelesen hat und sich eine Antwort zurecht spinnen wird.

@todo: Die Beispiele mit exakteren Sleep-Optionen im Nano-Zeit-Bereich fehlen noch.

Die Zeitmessung kann sehr genau ausgeführt werden, aber ein Vertrauen auf sleep-Methoden ist zu ungenau. Es gibt spezielle Timer-Klassen.

Busy-Wait-Prinzip: Aktives warten ohne sleep mit Ssytem.nanoTime() und Zeitvergleich. Bringt einen der Prozessoren ggf. zum Glühen, ist dann aber zeitlich genauer.

Die Genauigkeit von Thread.sleep(..) unter Windows liegt bei ca. 15ms, bei Linux/Mac bei etwa 1ms.

Übersicht: Executor-Interfaces und Klassen ersetzen in Java Concurrency das herkömmliche thread.start() sowie mitunter hierbei zugleich auch das Problem, wie man diesen Start für viele Threads und auch deren Ende eigentlich kontrolliert steuert.

Das wichtigste Grundprinzip eines Executors vorab: Man erzeugt diese über die Factory-Methoden von Executors.*

Java Executors Executor ExecutorService Executor oder ExecutorService?

Callables und Futures: Klingt wie der Titel eines neuen Science-Fiction-Films. Callables bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Runnables. Ein ExecutorServices kann sie verwalten und für Entwickler damit den Einstieg in asynchrone Programmierung ermöglichen.

Futures bieten einen völlig neuen Aspekt im Parallel Computing, denn Entwickler müssen bei der Verwendung von Futures kaum noch verstehen, wie dieser Wert von wo beschafft wird, denn die Architektur der Callables, Executors und dergleichen kann verborgen werden.

Java Callables Java Futures Beispiel

Mit dem Themenbereich der Executors beginnt der Einstieg in die Ausführung einzelner oder auch mehrerer Callables, geordnet, eher zufällig oder auch im Zeittakt. Executors betreffen Executor, ExecutorService, Scheduled~ Varianten sowie zugehörige Implementierungsklassen.

Wir geben einen ersten Gesamtüberblick als Voraussetzung für das Verständnis des Zusammenspiels aus Executor-Interfaces und dem späteren ThreadPoolExecutor.

Executors #350 Executors Executor ExecutorService ScheduledExecutorService

Die Interfaces Executor, ExecutorService, ScheduledExecutorServices sind eine Vererbungskette welche uns den Zugriff auf Methoden eines ThreadPoolExecutors ermöglichen.

scheduler.scheduleAtFixedRate(bus::fireTick, 0, 2, TimeUnit.SECONDS) ist ein klassisches Pattern für die Verwendung eines Schedulers.

ScheduledExecutorService ScheduledExecutorService Begriff ScheduledExecutorService (Bsp.)

Die Klasse ThreadPoolExecutor ist die zentrale Implementierungsklasse für die Interfaces Executor, ExecutorService und ScheduledExecutorService und zugleich die Basisklasse für den ScheduledThreadPoolExecutor.

ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor ThreadPoolExecutor ThreadPoolExecutor

Synchronizer stellen sicher, dass die jeweiligen Tasks im Verlauf synchronisiert werden können. Dieser Themenblock erklärt im Beispiel die jeweiligen Varianten.

Mal sollen alle Threads in zufälligerweise laufen, und wie CountDownLatch wartet mit await() schlicht, bis alle fertig sind. Es ist aber auch möglich, dass jeder Task selbst darauf wartet, dass ein Phaser die nächste Phase freigibt.

Synchronizer CountDownLatch CyclicBarrier Phaser Exchanger Semaphore

Hinweis: Klasse, Beschreibung und Beispiel siehe Synchronizers.

Hinweis: Klasse, Beschreibung und Beispiel siehe Synchronizers.

Hinweis: Klasse, Beschreibung und Beispiel siehe Synchronizers.

Hinweis: Klasse, Beschreibung und Beispiel siehe Synchronizers.

Hinweis: Klasse, Beschreibung und Beispiel siehe Synchronizers.