Programmation Multi-Threading en Java

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1 Programmation Multi-Threading en Java Christophe Gravier, Frédérique Laforest, Julien Subercaze Télécom Saint-Étienne Université Jean Monnet FI2_INFO / 35

2 Plan Objectifs Multi-Threading Les solutions de synchronisation 2 / 35

3 Objectifs pédagogiques Obligatoires Principe de la programmation Multi-Thread Mécanismes de synchronisation Optionnel Réalisation d une application lecteurs/rédacteurs 3 / 35

4 Plan Objectifs Multi-Threading Les solutions de synchronisation 4 / 35

5 Processus et Threads Définition : processus Un processus possède son propre environnement d éxécution, en particulier un espace mémoire réservé. Généralement processus = application. Définition : Thread Les threads ou processus légers existent au sein d un processus (au moins 1). Les threads partagent les ressources du processus. Dans ce cours Nous verrons seulements les threads 5 / 35

6 Utilisation Les applications multi-thread permettent une gestion plus efficace des ressources mais sont en contrepartie plus difficiles à mettre en œuvre pour des raisons de synchronisation. 6 / 35

7 Utilisation Les applications multi-thread permettent une gestion plus efficace des ressources mais sont en contrepartie plus difficiles à mettre en œuvre pour des raisons de synchronisation. Quand utiliser le multi-threading Calcul intensif qui peut être réparti sur plusieurs processeurs ou cœurs. Ralentissement dû aux temps d attente I/O, typiquement réseau Eviter le freeze sur des machines monocœur. GUI 7 / 35

8 Utilisation Les applications multi-thread permettent une gestion plus efficace des ressources mais sont en contrepartie plus difficiles à mettre en œuvre pour des raisons de synchronisation. Quand utiliser le multi-threading Calcul intensif qui peut être réparti sur plusieurs processeurs ou cœurs. Ralentissement dû aux temps d attente I/O, typiquement réseau Eviter le freeze sur des machines monocœur. GUI Quand ne pas utiliser Faible temps de calcul ralentissement dus aux switchs Machine à un seul processeur, un seul cœur. 8 / 35

9 A programmer has one problem 9 / 35

10 A programmer has one problem He thought, "I know, I ll use threads." 10 / 35

11 A programmer has one problem He thought, "I know, I ll use threads." Now the programmer has two problems 11 / 35

12 l objet Thread Thread en Java Deux objets possibles : Thread Runnable 12 / 35

13 1 public class HelloRunnable implements Runnable { 2 3 public void run () { 4 System. out. println (" Hello from a thread!"); 5 } 6 7 public static void main ( String args []) { 8 ( new Thread ( new HelloRunnable ())). start (); 9 } } 13 / 35

14 Exemple 1 package fr.tse. info. tp7. exemple ; 2 3 public class Exemple1Thread1 implements Runnable { 4 int numero ; 5 public Exemple1Thread1 ( int numero ) { 6 super (); 7 this. numero = numero ; 8 } 10 public void run () { 11 int i = 0; 12 while (i < 5) { 13 System. out. println (" Thread " + numero ); 14 i ++; 15 } 16 } } 14 / 35

15 Exemple package fr.tse. info. tp7. exemple ; 2 3 public class Exemple1 { 4 5 public static void main ( String [] args ) { 6 Exemple1Thread1 thread1 = new Exemple1Thread1 ( 1); 7 Exemple1Thread1 thread2 = new Exemple1Thread1 ( 2); 8 new Thread ( thread1 ). start (); 9 new Thread ( thread2 ). start (); 10 } } 15 / 35

16 Démonstration 16 / 35

17 Démonstration Résultat Le résultat n est pas identique à chaque exécution! 17 / 35

18 Démonstration Résultat Le résultat n est pas identique à chaque exécution! Race condition - Situation de concurrence C est le nom donné à ce type de situation, ou le résultat est dépendant d évenèments incontrollables par le programme. Ici c est l allocation du processeur par l OS qui n est pas contrôlé. 18 / 35

19 Difficulté du multi-threading - II Deadlock - Interblocage Deux (ou +) threads sont bloqués indéfiniment. 1. Alphonse et Gaston sont très polis 2. Quand on salue un ami, on se doit de rester courber jusqu à ce que son ami se soit relevé. 3. Si A. et G. se courbent en même temps, ils restent bloqués 19 / 35

20 Difficulté du multi-threading - II Deadlock - Interblocage Deux (ou +) threads sont bloqués indéfiniment. 1. Alphonse et Gaston sont très polis 2. Quand on salue un ami, on se doit de rester courber jusqu à ce que son ami se soit relevé. 3. Si A. et G. se courbent en même temps, ils restent bloqués Starvation - Famine Situation dans laquelle un thread ne peut avoir accès à une ressource partagée et ne peut progresser dans son traitement. Si un thread glouton appelle une méthode synchronisée très souvent, les autres threads peuvent se retrouver bloqués. 20 / 35

21 Difficulté du multi-threading - II Deadlock - Interblocage Deux (ou +) threads sont bloqués indéfiniment. 1. Alphonse et Gaston sont très polis 2. Quand on salue un ami, on se doit de rester courber jusqu à ce que son ami se soit relevé. 3. Si A. et G. se courbent en même temps, ils restent bloqués Starvation - Famine Situation dans laquelle un thread ne peut avoir accès à une ressource partagée et ne peut progresser dans son traitement. Si un thread glouton appelle une méthode synchronisée très souvent, les autres threads peuvent se retrouver bloqués. Livelock Similaire au deadlock, mais changement constant d état. A. et G. se croisent dans un corridor Chacun veut éviter l autre et se retrouve sans cesse bloqué 21 / 35

22 Plan Objectifs Multi-Threading Les solutions de synchronisation 22 / 35

23 Synchronisation de threads Join Wait Notify Inventaire des solutions 23 / 35

24 Synchronisation de threads Join Wait Notify Inventaire des solutions Synchronisation des données volatile Immutabilité Objets Atomiques 24 / 35

25 Synchronisation de threads Join Wait Notify Inventaire des solutions Synchronisation des données volatile Immutabilité Objets Atomiques Synchronisation du code synchronized Locks 25 / 35

26 join Synchronisation de threads permet d attendre la fin d éxécution d un thread 1 package fr.tse. info. tp7. exemple ; 2 public class Exemple1 { 3 4 public static void main ( String [] args ) { 5 Thread thread1 = new Thread ( new Exemple1Thread1 ( 1) 6 Thread thread2 new Thread ( new Exemple1Thread1 ( 2)) 7 thread1. start (); 8 thread1. join (); 9 thread2. start (); 10 thread2. join (); 11 System. out. println (" Fin du programme "); 12 } } 26 / 35

27 join Synchronisation de threads permet d attendre la fin d éxécution d un thread 1 package fr.tse. info. tp7. exemple ; 2 public class Exemple1 { 3 4 public static void main ( String [] args ) { 5 Thread thread1 = new Thread ( new Exemple1Thread1 ( 1) 6 Thread thread2 new Thread ( new Exemple1Thread1 ( 2)) 7 thread1. start (); 8 thread1. join (); 9 thread2. start (); 10 thread2. join (); 11 System. out. println (" Fin du programme "); 12 } } Résultat? 27 / 35

28 Objets Atomtiques Fournis par le JDK Le package java.util.concurrent.atomic contient de nombreuses d objets qui peuvent être accédés et modifiés de manière thread-safe. AtomicBoolean, AtomicLong,... Méthodes - Exemple sur AtomicLong long get() long incrementandget() / 35

29 Synchronized Méthode synchronized exclusion mutuelle. La méthode est exécutée par un thread à la fois. 29 / 35

30 Synchronized Méthode synchronized exclusion mutuelle. La méthode est exécutée par un thread à la fois. Avantages/Inconvénients + Facilité d utilisation - Performance, toute la méthode est synchronisée 30 / 35

31 Synchronized Méthode synchronized exclusion mutuelle. La méthode est exécutée par un thread à la fois. Avantages/Inconvénients + Facilité d utilisation - Performance, toute la méthode est synchronisée Bloc synchronized permet de synchroniser seulement la partie critique du code. Meilleures performances. 31 / 35

32 Méthode synchronized 1 public class Counter { 2 private static int count = 0; 3 4 public static synchronized int getcount (){ 5 return count ; 6 } 7 8 public synchronized setcount ( int count ){ 9 this. count = count ; 10 } } 32 / 35

33 Bloc synchronized 1 public class Singleton { 2 private static volatile Singleton _ instance ; 3 4 public static Singleton getinstance (){ 5 6 if( _ instance == null ){ 7 synchronized ( Singleton. class ){ 8 if( _instance == null ) 9 _ instance = new Singleton (); 10 } } 13 return _ instance ; } 33 / 35

34 Locks Mécanisme de base synchronized utilise des locks pour fonctionner. Utile pour mette en place des moniteurs. Différents Locks ReentrantLock : Gère l attente des threads sur le lock. Param : fairness ReadWriteLock : Permet des lectures concurrentes tout en lockant lors de l écriture. Usage typique : lecteurs/rédacteur. 34 / 35

35 The End 35 / 35

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