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Javaの並列/並行処理の基本

 Javaの並列/並行処理の基本

2023.06.29
JJUG Java仕様勉強会資料

Yuichi.Sakuraba

June 29, 2023
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Transcript

  1. var thread = new Thread( new Runnable() { @Override public

    void run() { // 処理 while (!condition) { Thread.yield(); } // 処理 } }); thread.start(); スレッド生成 非同期タスク スレッドを譲る ただし、本当に譲るかどうかはスケジューラしだい 非同期タスクが完了でスレッド廃棄 タスクの実行 ただし、実際の実行タイミングはスケジューラが決める
  2. Executors ExecutorServiceのファクトリ 用途に合わせてExecutorServiceオブジェクトを生成 newSingleThreadExecutor newFixedThreadPool newCachedThreadPool newScheduledThreadPool newWorkStealingPool newVirtualThreadPerTaskExecutor シングルスレッド動作のExecutorServce

    スレッド数固定のスレッドプール 必要に応じてスレッド生成するスレッドプール 周期的タスクを実行するスレッドプール Work Stealingを使用するスレッドプール (Java 8) Virtual Threadを使用するExecutorService (Java 21)
  3. Future<T> 非同期タスクの管理 型パラメータはタスクの戻り値型 Runnableの場合、Future<?> get cancel isDone/isCancelled resultNow exceptionNow state

    結果の取得 タスクが完了するまでブロックする タスクのキャンセル (キャンセルできるかはタスクしだい) タスクの状態を調べる ブロックせずに結果取得 完了していなければ例外 (Java 19) ブロックせずに例外取得 例外で完了していなければ例外 (Java 19) タスクの状態を調べる 戻り値はFuture.State列挙型 (Java 19)
  4. final var path = ... try (var pool = Executors.newFixedThreadPool(

    Runtime.getRuntime().availableProcessors())) { Future<List<String>> future = pool.submit(() -> { return Files.readAllLines(path); }); List<String> contents = future.get(); } catch (ExecutionException ex) { // タスク実行時の例外 } catch (InterruptedException ex) { // タスク実行中に割り込み発生 } 例: 非同期ファイル読み込み 引数でスレッド数指定 ここではCPUのコア数を指定 タスク登録 IOExceptionが発生した場合 ExecutionExceptionのcauseとなり Future.getメソッドでcatchできる getはタスク完了までブロックするため このままだと並行処理の意味がない
  5. final var path = ... try (var pool = Executors.newFixedThreadPool(

    Runtime.getRuntime().availableProcessors())) { Future<List<String>> future = pool.submit(() -> { return Files.readAllLines(path); }); /*たとえば*/ while(!future.isDone()) { /* タスク完了まで他の処理を実行 */ } List<String> contents = future.get(); } catch (ExecutionException ex) { // タスク実行時の例外 } catch (InterruptedException ex) { // タスク実行中に割り込み発生 } 例: 非同期ファイル読み込み 引数でスレッド数指定 ここではCPUのコア数を指定 タスク登録 IOExceptionが発生した場合 ExecutionExceptionのcauseとなり Future.getメソッドでcatchできる
  6. 競り合い状態の例 class Counter { private int count = 0; public

    int getNext() { return count++; } } read 複製 加算 write Thread #1 read 複製 加算 write Thread #2
  7. 競り合い状態の例 class Counter { private int count = 0; public

    int getNext() { return count++; } } read 複製 加算 write Thread #1 read 複製 加算 write Thread #2 複数スレッドからcountにアクセス可能 アクセスを単一スレッドに制限 = 同期化
  8. 競り合い状態の解消 class SyncCounter { private int count = 0; synchronized

    public int getNext() { return count++; } } class LockedCounter { private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); private int count = 0; public int getNext() { lock.lock(); try { return count++; } finally { lock.unlock(); } } }
  9. class OneDataContainer { private int value; synchronized public int getValue()

    { return value; } synchronized public void setValue(int v) { value = v; } } boolean update(int value) { if (container.getValue() == value) { return false; } else { container.setValue(value); return true; } } スレッドセーフ? Check Act Check-Then-Actは 処理全体を同期化する
  10. class OneDataContainer { private int value; synchronized public int getValue()

    { return value; } synchronized public void setValue(int v) { value = v; } } synchronized boolean update(int value) { if (container.getValue() == value) { return false; } else { container.setValue(value); return true; } } スレッドセーフ? synchronizedメソッドは synchronized(this) { … } containerが逸脱している場合 スレッドセーフではない
  11. class OneDataContainer { private int value; synchronized public int getValue()

    { return value; } synchronized public void setValue(int v) { value = v; } } boolean update(int value) { synchronized(container) { if (container.getValue() == value) { return false; } else { container.setValue(value); return true; }} } containerを同期化することで スレッドセーフになる
  12. データ書き込みの非可視化の例 public class NoVisibility { private static boolean ready; private

    static int number; public static void main(String... args) { try (var pool = Executors.newCachedThreadPool()){ pool.submit(() -> { while (!ready) { Thread.yield(); } System.out.println(number); }); number = 42; ready = true; } } } Java並行処理プログラミングp40より引用、改変 同期化により可視化を保証
  13. Fork/Join Framework (Java 7) 大量の計算処理、データ処理を効率的に処理するフレームワーク キーとなる技術 分割統治法 Work-Stealingタスクスケジューリング Parallel Stream、Arrays.sortなどで使用

    オーバーヘッドがあるため、データ数が多い場合のみ Arrays.sortの場合、デフォルトで4096以上 開発者が直接使うことはほぼないはず…
  14. 分割統治法 大きいタスクを処理しやすいサイズまで分割して処理 例: ソート 1 2 4 5 8 10

    11 3 1 2 4 5 8 10 11 3 1 2 4 5 8 10 11 3 4 10 1 5 11 2 8 3 2 10 1 5 11 4 8 3 8 11 5 2 4 10 3 1
  15. 例: フィボナッチ数 F(n) = F(n-1) + F(n-2) class FibonacciTask extends

    RecursiveTask<Integer> { private final int n; public FibonacciTask(int n) { this.n = n; } protected Integer compute() { if (n <= 1) return n; var f1 = new FibonacciTask(n - 1); f1.fork(); var f2 = new FibonacciTask(n - 2); return f2.compute() + f1.join(); }} ForkJoinPool fjPool = new ForkJoinPool(); var task = fjPool.submit(new FibonacciTask(30)); System.out.println(task.get()); タスク分割 タスク分割 タスクのフォーク タスクの完了を待って、結果を取得 タスク記述メソッド
  16. CompletableFuture (Java 8) 非同期で行う一連の処理を関数で連ねる I/O処理を非同期で行うことでスループット向上 開始 (staticメソッド) completedFuture runAsync suplyAsync

    一連のタスク記述メソッド thenAccept/Apply/Run(Async) 他に処理の合成、例外処理など多くのメソッドを提供 引数が次のラムダ式の引数になる タスクはRunnable タスクはSupplier 引数、戻り値の有無でラムダ式が決まる メソッドの最後がAsyncの場合、非同期に実行される
  17. CompletableFuture.supplyAsync(() -> Path.of(...)) .thenApplyAsync(path -> { try { return Optional.of(Files.readAllLines(path));

    } catch (IOException ex) { return Optional.<List<String>>empty(); } }) .thenAccept(opt -> { opt.ifPresent(contents -> { contents.forEach(System.out::println); }); }); 例: 非同期ファイル読み込み 引数あり、戻り値ありのタスクを非同期に実行 ファイル読み込みタスク完了後、実行