Grundlegendes zur Java-Parallelverarbeitung (Einführung)

Haben Sie beispielsweise die folgenden Punkte im Hinblick auf die Parallelverarbeitung implementiert?

Singleton
Inkrementieren (++) und Dekrementieren (-)
Ersetzung durch "long" oder "double"
Variablen, die mit dem Tag "<%!%>" Deklariert wurden

Wenn Sie diesen Code ohne Rücksicht implementieren, ** kann dies zu lächerlichen Fehlern in Ihrem Produktionssystem führen. ** **.

In diesem Artikel möchte ich die Parallelverarbeitung gemäß dem folgenden Ablauf erläutern.

Was ist Parallelverarbeitung?
Warum sollte Parallelverarbeitung in Betracht gezogen werden?
Thread-sichere und nicht thread-sichere Variablen
Parallelverarbeitung ist schwer zu testen

Was ist "Parallelverarbeitung"?

Lassen Sie uns zunächst verstehen, wie Java im Speicher funktioniert.

"Prozess" und "Thread"

** Prozess **: Eine Verarbeitungseinheit, die in einem Bereich namens "Speicherplatz" arbeitet, der für jede Java-Anwendung im Speicher zugewiesen ist.
** Thread **: Verarbeiten Sie eine Reihe von Programmen, die den Code zeilenweise ausführen
** Multi-Prozess **: Es können mehrere Prozesse gleichzeitig ausgeführt werden
** Multithread **: Mehrere Threads werden gleichzeitig ausgeführt

Verschiedene Daten zum Ausführen von Programmen werden im Speicher gespeichert. Der Speicherplatz wird nicht zwischen Prozessen geteilt, aber der Speicherplatz wird zwischen Threads geteilt. Das heißt, ** verschiedene Threads können auf dieselben Daten zugreifen. ** **.

Arten der Thread-Verarbeitung

** Sequentiell **: Mehrere Threads nacheinander in einem Prozess verarbeiten
** Parallel **: Mehrere Prozesse verarbeiten jeden Thread gleichzeitig
** gleichzeitig **: ** gleichzeitige Verarbeitung mehrerer Threads gleichzeitig durch Betrieb, während mehrere Threads in einem Prozess gewechselt werden **

Unter diesen entsprechen Parallelverarbeitung und Parallelverarbeitung einem "Multithread", der mehrere Threads gleichzeitig verarbeitet. Andererseits wird die sequentielle Verarbeitung als "einzelner Thread" bezeichnet, da Threads einzeln verarbeitet werden.

Was Sie beachten müssen, ist ** Parallelverarbeitung **. Da sich mehrere Threads den Speicherplatz teilen, können die von einem Thread gelesenen und geschriebenen Daten von dem anderen Thread gelesen und geschrieben werden, wenn Threads gleichzeitig ausgeführt werden.

リソースへの同時アクセス

[IPA ISEC Secure Programming-Kurs: C / C ++ - Sprachausgabe Kapitel 4 Gegenmaßnahmen für unvorhergesehene Situationen: Allgemeine Gegenmaßnahmen für Rennbedingungen](https://www.ipa.go.jp/security/awareness/vendor/programmingv2/contents /c304.html)

Warum sollte Parallelität berücksichtigt werden?

Schauen wir uns den Grund an, warum die parallele Verarbeitung anhand eines Beispiels betrachtet werden sollte.

Angenommen, Sie haben das folgende Reservierungssystem für Bibliotheksmieten. Zu diesem Zeitpunkt wird angenommen, dass die Anzahl der Reservierungen für das Buch "Java Parallel Processing Programming" zu diesem Zeitpunkt 0 ist.

Holen Sie sich die Anzahl der Reservierungen
Addieren Sie 1 zur Anzahl der erhaltenen Reservierungen
Verarbeiten Sie die Anzahl der gebuchten Personen. 2. Aktualisieren Sie mit dem Wert in 2.

Was ist, wenn Alice und Bob gleichzeitig "Java Concurrency Programming" buchen? Abhängig vom Zeitpunkt kann die Verarbeitung in der folgenden Reihenfolge ausgeführt werden.

A1. Alice erhält die Anzahl der Reservierungen (= 0 Personen)
A2. Alice addiert 1 zur Anzahl der erhaltenen Reservierungen (= 1 Person)
B1. Bob erhält die Anzahl der Reservierungen (= 0 Personen)
B2. Bob addiert 1 zur Anzahl der erhaltenen Reservierungen (= 1 Person)
A3. Alice verarbeitet die Anzahl der Reservierungen 2. Updates mit dem Wert 2. (= 1 Person)
B3. Bob verarbeitet die Anzahl der Reservierungen und Aktualisierungen mit dem Wert 2. (= 1 Person)

Alice und Bob, die beide glauben, früher als alle anderen gebucht zu haben, besuchten am nächsten Tag die Bibliothek und gerieten in einen Streit.

Wie im obigen Beispiel wird ein Fehler, der auftritt, wenn auf Daten, auf die nicht gleichzeitig zugegriffen werden sollte, tatsächlich parallel von mehreren Threads aus zugegriffen wird ** "Race-Bedingung" Es wird genannt "**". Der Bereich, der in einem Programm in einem einzelnen Thread betrieben werden muss, wird als "kritischer Abschnitt" bezeichnet.

Andererseits wird ein Programm, das normal funktioniert, auch wenn es von mehreren Threads gleichzeitig aufgerufen wird, als ** "thread-sicher" ** bezeichnet.

Thread-sichere und nicht thread-sichere Variablen

In Java sind einige Variablen threadsicher und andere nicht. Ich möchte erklären, wie diese Variablen im Speicher funktionieren.

Variablentyp

** Lokale Variable **: Eine Variable, die in der Methode beschrieben wird und den Status jeder Methode und jedes Konstruktors definiert.
** Instanzvariable **: Eine Variable, die außerhalb der Methode beschrieben und von anderen Methoden und Konstruktoren referenziert werden kann. Kann von jeder Methode in derselben Klasse referenziert werden.
** Klassenvariable **: Eine Variable mit dem statischen Modifikator, der der Instanzvariablen hinzugefügt wurde. Die Werte werden von mehreren Instanzen derselben Klasse gemeinsam genutzt.

public class ClassSample{

	private String foo; //Instanzvariable
	private static String bar; //Klassenvariable

	public static void methodSample(){
		
		int num = 1; //Lokale Variablen
		
	}
}

Von diesen Variablen sind ** nur lokale Variablen ** threadsicher **.

Thread-sichere Variablen

Lokale Variablen sind für jeden Thread eindeutig und können nur von einem Thread aufgerufen werden, da die Daten in einem Bereich im Speicherbereich gespeichert sind, der als "Stapelbereich" ** bezeichnet wird. Daher schreiben andere Threads die Informationen nicht neu oder verweisen fälschlicherweise auf die Informationen.

Variablen, die nicht threadsicher sind

Instanzvariablen und Klassenvariablen werden von mehreren Threads gemeinsam genutzt ** Da sich Daten in einem Bereich im Speicherbereich befinden, der als "Heap-Bereich" bezeichnet wird **, können andere Threads die Informationen neu schreiben oder versehentlich auf die Informationen verweisen. Ich kann es tun.

ローカル変数以外は複数のスレッドから共有され得る

[Implementierung] Vergessen Sie nicht, es threadsicher zu machen | Nikkei xTECH (Cross Tech)

Beachten Sie auch die ** JSP <%!%> Tags, die beim Deklarieren von Variablen und Methoden verwendet werden. Das Tag ** <%!%> Ist nicht threadsicher, da es beim Kompilieren der JSP als Servlet ** -Instanzvariable ** erweitert wird.

Die parallele Verarbeitung ist schwer zu testen

Rennbedingungen sind Zeitfehler, die in ** Tests sehr schwer zu erkennen sind. ** **.

Brian Goetz (Java Architect, Oracle, Stand März 2018), ein führender Experte für Java-Parallelverarbeitung, schrieb einen Artikel über Parallelverarbeitung. In "Java-Theorie und -Praxis: Sicherlich Fehler töten" Wird als erwähnt.

Es überrascht nicht, dass das Schreiben von Code der beste Zeitpunkt ist, um Ihren Code von hoher Qualität zu erstellen. Dies liegt daran, dass ich das beste Verständnis dafür habe, was zu diesem Zeitpunkt funktioniert und wie es funktioniert.

** Um die Rennbedingungen nicht einzubetten, sollte es von einem Programmierer programmiert und überprüft werden, der Parallelität versteht **.

Der Artikel empfiehlt "Fehler suchen" als teilweise, aber effektives Tool zum Erkennen von Parallelitätsfehlern. "Spotbugs", der Nachfolger von "FindBugs", verfügt über mehrere Elemente zur Erkennung von Rennbedingungen. ("SpotBugs-Handbuch, Details zu erkennbaren Fehlern")

Facebook hat im Oktober 2017 auch ** "RacerD" **, ein statisches Analysetool für Java-Parallelitätsfehler, als Open Source veröffentlicht. Bitte schauen Sie, wie es im folgenden Artikel vorgestellt wird.

Ich habe das Java-Parallelitäts-Fehleranalysetool "RacerD" von Facebook - Qiita ausprobiert

Zusammenfassung

"** Parallele Verarbeitung **" bedeutet, dass mehrere Threads gleichzeitig in einem Prozess verarbeitet werden.
"** Race Condition **" ist ein Fehler, der auftritt, wenn mehrere Threads parallel auf Daten zugreifen, auf die nicht gleichzeitig zugegriffen werden sollte.
Ein Programm, das normal funktioniert, auch wenn es von mehreren Threads gleichzeitig aufgerufen wird, wird als "** thread-sicher **" ausgedrückt.
Lokale Variablen sind ** threadsicher. ** **.
Instanzvariablen, Klassenvariablen und <%!%> Tags sind ** nicht threadsicher. ** **.
Rennbedingungen sind in Tests schwer zu erkennen.
Die Programmierung und Überprüfung sollte von einem Programmierer durchgeführt werden, der die Parallelität versteht.
Es gibt "SpotBugs" und "RacerD" als statische Analysewerkzeuge für parallele Fehler, die teilweise aber effektiv sind.

Nachschlagewerk

"Einführung in in Java-Sprache erlernte Entwurfsmuster, Multithreaded Edition, Softbank Creative" Ein Einführungsbuch zu Best Practices in der Multithread-Programmierung. Es erklärt das Speichermodell von Java auf sehr leicht verständliche Weise.
"Java-Parallelverarbeitungsprogrammierung findet ihre" Grundlage "und" neueste API "-, Softbank Creative" Ein Muss zum Erlernen der Parallelität, geschrieben von Brian Goetz, dem Java-Architekten von Oracle und führender Java-Parallelität.

Referenz-Website

『Java Concurrency in Practice』
Dies ist eine Website, auf der Sie die Best Practices der Parallelverarbeitung und den Quellcode von Anti-Patterns erhalten, die in "Java Parallel Processing Programming - Exploring the" Infrastructure "und" Latest API "-" eingeführt wurden.
"" Parallele Verarbeitung von Java Secure Coding ", JPCERT Coordination Center Secure Coding" Dies ist eine Richtlinie für die Parallelverarbeitungsprogrammierung, die von JPCERT / CC veröffentlicht wurde.