Nebenläufige Programmierung mit Java: Konzepte und Programmiermodelle für Multicore-Systeme
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Format: | Buch |
Sprache: | German |
Veröffentlicht: |
Heidelberg
dpunkt.verlag
2016
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Ausgabe: | 1. Auflage |
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Online-Zugang: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
Beschreibung: | Literaturverzeichnis Seite 357-360 |
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IX
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung. 1
1.1 Dimensionen der Parallelität. 1
1.2 Parallelität und Nebenläufigkeit. 2
1.2.1 Die Vorteile von Nebenläufigkeit. 3
1.2.2 Die Nachteile von Nebenläufigkeit . 3
1.2.3 Sicherer Umgang mit Nebenläufigkeit. 4
1.3 Maße für die Parallelisierung . 4
1.3.1 Die Gesetze von Amdahl und Gustafson. 4
1.3.2 Work-Span-Analyse. 6
1.4 Parallelitätsmodelle. 7
2 Das Thread-Konzept von Java. 11
2.1 Der main-Thread. 11
2.2 Erzeugung und Starten von Threads. 12
2.2.1 Thread-Erzeugung durch Vererbung. 13
2.2.2 Thread-Erzeugung mit Runnable-Objekten . 16
2.3 Der Lebenszyklus von Threads. 19
2.3.1 Beendigung eines Threads. 20
2.3.2 Auf das Ende eines Threads warten. 21
2.3.3 Aktives Beenden von Threads . 21
2.3.4 Unterbrechung mit interrupt. 24
2.3.5 Thread-Zustände . 26
2.4 Weitere Eigenschaften eines Thread-Objekts. 27
2.4.1 Thread-Priorität. 27
2.4.2 Daemon-Eigenschaft . 28
2.5 Exception-Handler. 29
2.6 Zusammenfassung. 31
X
Inhaltsverzeichnis
3 Konkurrierende Zugriffe auf Daten . 33
3.1 Ein einleitendes Beispiel. 33
3.2 Java-Speichermodell. 34
3.2.1 Stacks und Heap. 35
3.2.2 Speicher auf der Hardwareebene. 37
3.2.3 Probleme mit gemeinsam nutzbaren Daten . 38
3.2.4 Sequenzielle Konsistenz. 39
3.2.5 Thread-sichere Daten und unveränderliche Objekte. 41
3.3 Unveränderbare Objekte. 42
3.4 Volatile-Attribute. 43
3.5 Finai-Attributte. 45
3.6 Thread-Iokale Daten. 46
3.7 Fallstricke. 49
3.8 Zusammenfassung. 50
4 Elementare Synchronisationsmechanismen. 51
4.1 Schlüsselwort synchronized. 51
4.1.1 Synchronized-Methoden. 51
4.1.2 Synchronized-BlÖcke. 53
4.1.3 Beispiel: Thread-sicheres Singleton. 54
4.1.4 Monitorkonzept bei Java. 56
4.2 Fallstricke. 57
4.3 Zusammenfassung. 62
5 Grundlegende Thread-Steuerung. 63
5.1 Bedingungsvariablen und Signalisieren. 63
5.2 Regeln zum Umgang mit wait, notify und notifyAll . 69
5.3 Zusammenfassung. 72
6 Threadpools. 75
6.1 Das Poolkonzept und die Klasse Executors . 75
6.1.1 Executors mit eigener ThreadFactory. 78
6.1.2 Explizite ThreadPoolExecutor-Erzeugung. 78
6.1.3 Benutzerdefinierter ThreadPoolExecutor. 79
6.2 Future- und Callable-Schnittstelle. 80
6.2.1 Callable, Future und FutureTask . . 81
6.2.2 Callable, Future und ExecutorService . 81
6.3 Callable und ThreadPoolExecutor. 84
6.4 Callable und ScheduledThreadPoolExecutor. 88
6.5 Callable und ForkJoinPool . 88
Inhaltsverzeichnis
XI
6.6 Exception-Handling. 90
6.7 Tipps für das Arbeiten mit Threadpools. 92
6.8 Zusammenfassung. 93
7 Atomic-Variablen . 95
7.1 Compare-and-Set-Operation. 96
7.2 Umgang mit Atomic-Variablen. 97
7.2.1 Atomic-Skalare. 97
7.2.2 Atomic-Referenzen .100
7.3 Accumulator und Adder in Java 8.102
7.4 Zusammenfassung. 104
8 Lock-Objekte und Semaphore.105
8.1 Lock-Objekte.106
8.1.1 Das Lock-Interface.106
8.1.2 ReentrantLock.109
8.1.3 Das Condition-Interface.Ill
8.1.4 ReadWriteLock.115
8.1.5 StampedLock .117
8.2 Semaphore.120
8.3 Zusammenfassung . 123
9 Thread-sichere Container .125
9.1 Collection-Typen.125
9.2 Thread-sichere Collections.127
9.2.1 Synchronisierte Collections. 127
9.2.2 Unmodifiable Collections.129
9.2.3 Concurrent Collections.130
9.3 Zusammenfassung.135
10 Exchanger und BlockingQueue.139
10.1 Exchanger.139
10.2 Queues . 143
10.3 Das Erzeuger-Verbraucher-Muster .146
10.4 Varianten .149
10.4.1 Pipeline von Erzeugern und Verbrauchern.149
10.4.2 Erzeuger-Verbraucher-Muster mit Empfangsbestätigung.150
10.4.3 Erzeuger-Verbraucher-Muster mit Work-Stealing.151
10.5 Zusammenfassung .157
XII
Inhaltsverzeichnis
11 CountDownLatch und CyclicBarrier.159
11.1 CountDownLatch.159
11.2 CyclicBarrier.162
11.3 Zusammenfassung.167
12 Phaser.169
12.1 Das Konzept des Phasers.169
12.1.1 Phaser als CountDownLatch.170
12.1.2 Phaser als CyclicBarrier.173
12.2 Phaser als variable Barriere .174
12.3 Zusammenspiel mit dem ForkJoin-Threadpool.178
12.4 Zusammenfassung.179
13 Das ForkJoin-Framework .183
13.1 Grundprinzip des ForkJoin-Patterns.183
13.2 Programmiermodell.184
13.2.1 Einsatz von RecursiveAction.186
13.2.2 Einsatz von RecursiveTask.189
13.2.3 Einsatz von CountedCompleter.191
13.3 Work-Stealing-Verfahren.194
13.4 Zusammenfassung.197
14 Parallele Array- und Stream-Verarbeitung . 199
14.1 Parallele Array-Verarbeitung.199
14.1.1 Parallele Transformation.199
14.1.2 Paralleles Sortieren.200
14.1.3 Parallele Präfixbildung.201
14.2 Funktionsprinzip der Stream-Verarbeitung.203
14.2.1 Funktionale Interfaces .204
14.2.2 Erzeugung von Streams. 205
14.2.3 Transformations- und Manipulationsoperationen.208
14.2.4 Auswertungen von Streams.211
14.2.5 Eigenschaften und Operationsoptimierung.216
14.3 Parallele Stream-Verarbeitung: Datenparallelität. 217
14.3.1 Arbeitsweise und korrekte Benutzung.218
14.3.2 Parallele Reduzierer .220
14.3.3 Parallele Collectoren.223
14.3.4 Funktionsweise von Spliteratoren .228
14.3.5 Benutzerdefinierte Spliteratoren .230
14.4 Zusammenfassung.235
Inhaltsverzeichnis
xiii
15 CompletableFuture .237
15.1 CompletableFuture als Erweiterung des Future-Patterns. 237
15.2 Design von asynchronen APIs . 241
15.2.1 Asynchrone APIs mit Future.242
15.2.2 Asynchrone APIs mit CompletableFuture.242
15.3 Asynchrone Verarbeitung: Task-Parallelität.244
15.3.1 Das Starten einer asynchronen Verarbeitung.244
15.3.2 Definition einer asynchronen Verarbeitungskette.245
15.4 Das Arbeiten mit CompletableFutures .247
15.4.1 Das Konzept des CompletionStage . 248
15.4.2 Lineare Kompositionsmöglichkeiten.249
15.4.3 Verzweigen und Vereinen.252
15.4.4 Synchronisationsbarrieren.256
15.5 Fehlerbehandlung und Abbruch einer Verarbeitung.257
15.6 Zusammenfassung.259
V Fallbeispiele
16 Asynchrones Logging.263
16.1 Lösung mit Thread-Iokalen Daten.264
16.2 Verbesserte Version (Exchanger).266
17 Datenstrukturen in Multithreaded-Umgebungen .271
17.1 Liste als sortierte Menge.271
17.2 Blockierende Lösungen (Locks).276
17.2.1 Grobgranulare Synchronisierung.276
17.2.2 Feingranulare Synchronisierung.276
17.2.3 Optimistische Synchronisierung.279
17.3 Lockfreie Lösung (AtomicMarkableReference).280
18 The Dining Philosophers Problem .287
18.1 Basisalgorithmus.288
18.2 Lösungsvarianten (Semaphore und Lock).288
18.2.1 Lösung mit einem Semaphor.289
18.2.2 Lösung mit asymmetrischer Lock-Anforderung.290
18.2.3 Lösung mithilfe eines Koordinators.291
18.2.4 Lösung mit asymmetrischer Wait-Release-Strategie.293
19 Minimal aufspannende Bäume. 295
19.1 Graphen und Spannbäume.295
19.2 Der Prim-Algorithmus. 297
19.2.1 Funktionsweise des Algorithmus.297
XIV
Inhaltsverzeichnis
19.2.2 Implementierung des Algorithmus.299
19.3 Parallelisierung (Phaser) .301
20 Mergesort . 305
20.1 Funktionsprinzip des Algorithmus .305
20.2 Parallelisierung (ForkJoin-Framework).307
21 Der k-Mean-Clusteralgorithmus.309
21.1 Der k-Mean-AIgorithmus.309
21.2 Parallelisierung (Parallel Streams).311
21.2.1 Datenmodell .311
21.2.2 Hilfsmethoden.311
21.2.3 Implementierung.312
21.2.4 Variante mit benutzerdefiniertem Coilector.316
22 RSA-Schlüsselerzeugung.321
22.1 Verfahren für die Schlüsselerzeugung.321
22.2 Parallelisierung (CompIetableFuture).323
23 Threads bei JavaFX .327
23.1 Ein einfaches Beispiel .327
23.2 JavaFX-Concurrent-API.329
24 Händler-Konzept bei Android .335
24.1 Ul-Thread und nebenläufige Aktivitäten.335
24.2 Messages, Message-Queue, Looper.336
24.3 Händler.338
25 Aktoren .341
25.1 Aktorenmodell.:.341
25.2 Beispielimplementierung mit Akka.342
25.2.1 Nachrichten.343
25.2.2 Beteiligte Aktoren.345
25.2.3 Starten der Anwendung.347
A Ausblick auf Java 9 .351
A.l Die Flow-Interfaces.351
Literaturverzeichnis
357
Index
361 |
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