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Beyond Synchronized - Parallelverarbeitung jenseits der klassischen Lock-basierten Synchronisation

Beyond Synchronized - Parallelverarbeitung jenseits der klassischen Lock-basierten Synchronisation  
ABSTRACT 
 
 
In diesem Workshop geht es um Concurrency-Lösungen in Java jenseits der klassischen Lock-basierten Synchronisation, d.h. um Alternativen zu Parallelverarbeitung mit Locks.  Wir besprechen das Java Memory Model und den Fork-Join-Pool (inkl. Ausblick auf "filter/map/reduce for Java" in Java 8). 

Multicore-Prozessoren verwenden aufwendige Caching-Mechnismen, um eine gute Verarbeitsgeschwindigkeit zu erreichen.  Diese Caching-Verfahren haben dazu geführt, dass die Programmiersprachen ihre Anforderungen an die so-genannte "cache coherence" reduzieren mussten, d.h. es ist keineswegs garantiert, dass alle Threads in einer Anwendung eine übereinstimmende Sicht auf die Daten im Speicher haben. Vielmehr können unterschiedliche Threads zum selben Zeitpunkt unterschiedliche Werte für dieselben Speicherzellen (in verschiedenen Caches) sehen. Dort, wo eine kohärente Sicht auf die Daten benötigt wird, z.B. wenn mehrere Threads über gemeinsam verwendete Daten kommunizieren, müssen über sogenannte Memory Barriers Flushes und Refreshes der Prozessor-Caches ausgelöst werden.  Das wird meistens über Locks (bzw. Mutexe) gemacht; es ist komplex, fehleranfällig und kostet Performance.  Deshalb gibt es Ideen, die klassische "shared mutable state concurrency" durch einfachere und performantere Alternativen zu ersetzen oder zumindest zu reduzieren.

In Java und dem JDK gibt es zwei alternative Ansätze: (1) das "lock-free programming" mit Hilfe von volatile Variablen und Atomics und (2) den Fork-Join-Framework für das Verteilen von rekursiven Aufgaben auf viele Cores. Im Workshop werden die beiden alternativen Ansätze diskutiert und im Praxisteil verwendet. 
 (1) Wir besprechen das Speichermodell von Java (JMM - Java Memory Model).  Die oben erwähnte "relaxed cache coherence" hat dazu geführt, dass mit Java 5 das Speichermodell der Sprache überarbeitet und präzisiert wurde.  Die Sprachspezifikation definiert Garantien bzgl. Atomicity, Visibility und Reordering von Speicherzugriffen, auf die sich die Java-Programmierer verlassen können und die die virtuelle Maschine auf das jeweilige Hardware-Memory-Modells abbilden muss.  Die Garantien des Speichermodells sind unerlässlich für das "lock-free programming", d.h. das Ersetzen von Locks durch Volatiles und Atomics.
 (2) Seit Java 5 wurden Anstrengungen unternommen, die Multithread-Programmierung in Java durch Standardabstraktionen im JDK zu unterstützen; es ist eine Reihe von Concurrency Utilities im JDK hinzu gekommen.  Relativ neu ist der seit Java 7 verfügbare Fork-Join-Pool, der für die Parallelverarbeitung von rekursiven, voneinander abhängigen Aufgaben konzipiert ist.  Der Fork.Join-Pool ist deshalb besonders interessant, weil er eine zentrale Rolle spielt im Zusammenhang mit der Parallelisierung von Zugriffen auf Sequenzen.  Im Rahmen des Java Enhancement Proposal JEP 107 "Bulk Data Operations for Collections" (auch als "filter/map/reduce for Java" bekannt) werden für Java 8 Erweiterungen an den bestehenden Collections im JDK spezifiziert, damit "bulk operations" in Zukunft automatisch von mehreren Threads parallel ausgeführt werden.  Diese neuen Abstraktionen werden mit Hilfe des Fork-Join-Pools implementiert sein.

Im Workshop wird der Unterschied des Fork-Join-Pools zum herkömmlichen Thread-Pool erläutert; es wird Einblick in die Implementierung und Arbeitsweise des Fork-Join-Frameworks gegeben, seine Verwendung anhand von Beispielen ausprobiert und auf die Performance dieser Alternative eingegangen.  Teil der praktischen Übungen werden Benchmarks sein, in denen die Performance von Fork-Join-basierten, parallelen Lösungen im Vergleich zu sequentiellen Lösung gemessen wird.  Dieser "Reality Check" wird zeigen, wie stark die Performance von der Art der Aufgabe und der jeweiligen Plattform (Hardware, Betriebsystem, JVM) abhängt. 

 
PREREQUISITES

 
Level: mittel
Duration: ca. 6 Stunden
Audience: Java-Entwickler, die sich für Multithread-Programmierung und/oder die Erweiterungen des JDK interessieren. 
Prerequisites: Grundkenntnisse Java und Multithreading. Die Teilnehmer werden gebeten, für den Praxisteil ihre Notebooks mitzubringen.
Presented at: Workshop-Tage 2012 , Rapperswil, Switzerland, September 4-6, 2012
JAX 2013 , Munich, Germany, April 22-26, 2013
 

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  © Copyright 1995-2013 by Angelika Langer.  All Rights Reserved.    URL: < http://www.AngelikaLanger.com/Conferences/Abstracts/BeyondSynchronized.htm  last update: 18 Jul 2013