How to simplify complexity of mutithreading using aspect oriented programming by PostSharp

1. 1
©LuxoftTraining2012
PostSharp Threading Pattern Library
Андрей Гордиенков
my@violet-tape.net
softblog.violet-tape.ru

2. 2
Обо мне
 Фанат программирования и рассказов о программировании
 Ведет свой блог 5+ года: статьи и видео
 АОП евангелист
 Очень ленив, поэтому ищет пути как писать меньше, а делать больше

3. 3
Немного из истории языков
 Ранние языки строилась вокруг модели памяти
 Оперирование переменными, а не адресами памяти
 FORTRAN I (1955)
 Дальнейшее развитие пошло вокруг модели исполнения
 Внедрение методов и подпрограмм
 FORTRAN II (1958)
 Внедрение областей видимости
 ALGOL 60
 Объединение концепций
 COBOL
 Скорее всего первый ООП язык был SIMULA
 C++, C# и Java прямые наследники SIMULA

4. 4
Качества хорошей модели программирования
 Адекватные абстракции
 Проверяемость
 Локальность и разделение ответственности
 Детерминизм
 Производительность

5. 5
Threading Pattern Library
 Предоставляет высокоуровневый механизм управления моделями
многопоточности для кода.
 Проверка времени компиляции и исполнения.
 Присутствует в PostSharp Express.
 Реализованные модели:
 Immutable
 Freezable
 Synchronized
 Reader/Writer Synchronized
 Actor
 Thread Affine
 Thread Unsafe

6. 6
Необходимые условия работы моделей
 Для корректной работы может потребоваться использование специальных
коллекций
 AdvisableCollection<T>
 AdvisableDictionary<TKey,TValue>
 Поддержка концепции агрегации и композиции фреймворком.
 [Child]
 [Parent]
 [Reference]

7. 7
Пример
[Aggregatable]
public class Invoice {
[Child]
public readonly AdvisableCollection<InvoiceLine> Lines = new AdvisableCollection<InvoiceLine>();
[Reference]
public Customer Customer;
}
[Aggregatable]
public class InvoiceLine {
[Reference]
public Product Product;
[Parent]
public Invoice ParentInvoice { get; private set; }
}

8. 8
Ключевые идеи PostSharp TPL
 Основной фокус направлен на познавательные аспекты программирования
 Понятия Immutable, Actor, Freezable, Locking могут относиться к многопоточности
 Модели многопоточности относятся к классам, а не к приложению и модулям
 Разные модели многопоточности могут сосуществовать в одном приложении
 Шаблоны проектирования могут быть реализованы расширением языка, а не
кучей кода
 Можно точно определить, что есть валидный код на уровне классов. Исключая
инвариантность.
 Использование агрегации/композиции как основы для формализации шаблонов

9. 9
Immutable
Суть: Объект не может быть изменен после того, как выполнилась вся цепочка
конструкторов.
 Подход в целом неадекватен для ООП.
 Инициализация объекта часто продолжается после создания объекта.
 Никак не регулируется изменяемость объектов принадлежащих классу.
 Фиксирование объекта происходит после выполнения последнего
конструктора в цепочке.
 Изменятся могут только поля/свойства помеченные [Reference]

10. 10
Пример
[Immutable]
public class Invoice {
public long Id { get; set; }
public Invoice(long id) {
Id = id;
Items = new AdvisableCollection<Item>();
Items.Add(new Item("widget"));
}
[Child]
public AdvisableCollection<Item> Items { get; set; }
}

11. 11
Freezable
Суть: Перед обработкой объекта в других потоках, его надо «заморозить».
Операция не обратимая.
 Рабочая модель для идеи «неизменяемых» объектов. В реализации
руководствовались следующим:
 Доступ к объекту запрещен для других потоков, пока объект не был заморожен. Даже на
чтение.
 После «заморозки» объект не может быть изменен ни при каких обстоятельствах.
 Метод Freeze() замораживает также все агрегируемые свойства
 «Дети» должны реализовывать модель Immutable или Freezable

12. 12
Freezable
 Применение аспекта внедряет в класс интерфейс IFreezable
public interface IFreezable : IThreadAware {
void Freeze();
}

13. 13
Пример
[Freezable]
public class Invoice {
[Child]
public readonly AdvisableCollection<InvoiceLine> Lines = new AdvisableCollection<InvoiceLine>();
[Reference]
public Customer Customer;
}
[Freezable]
public class InvoiceLine {
[Reference]
public Product Product;
[Parent]
public Invoice ParentInvoice { get; private set; }
}

14. 14
Synchronized
Суть: Критические секции класса оборачиваются конструкцией lock(), которая
позволяет обрабатывать (читать/писать) себя только одному потоку
одновременно.
 «Классика жанра», самая популярная модель доступа к данным в
многопоточной среде.
 Главный подозреваемый при организации deadlock и задержке потоков.
 Падение производительности происходит при работе с долгими операциями вводавывода
 Реализация основана на классе Monitor

15. 15
Пример
[Synchronized]
public class OrderService {
public void Process(int sequence) {
Console.WriteLine("sequence {0}", sequence);
Console.WriteLine("sleeping for 10s");
Thread.Sleep(new TimeSpan(0, 0, 10));
}
}

16. 16
Reader-Writer Synchronized
Суть: Раздельные уровни блокировки частей кода для чтения и для записи. В
один момент времени чтение позволено многим потокам, запись – только
одному.
 Public и Internal методы класса должны быть помечены атрибутами:
 [Reader]
 [Writer]
 [UpgradableReader]
 Get/Set автоматически помечаются как [Reader]/[Writer]
 Реализация основана на ReaderWriterLockSlim классе

17. 17
Пример
[ReaderWriterSynchronized]
public class Order {
public decimal Amount { get; set; }
public decimal Discount { get; set; }
[Child]
public AdvisableCollection<Item> lines = new AdvisableCollection<Item>();
public decimal AmountAfterDiscount {
get { return Amount - Discount; }
}
[Writer]
public void Set(decimal amount, decimal discount) {
if (amount < discount) {
throw new InvalidOperationException();
}
Amount = amount;
Discount = discount;
}
}

18. 18
Actor
Суть: Запросы класса асинхронно перенаправляются в одну очередь исполнения
в которой выполняются по порядку в один поток.
 Любой public/internal метод упаковывается в сообщение, которое кладется в
очередь
 Класс реализует интерфейс IActor
 Реализация основана на классе ConcurrentQueue
 Шаблон требует, чтобы все методы относились к следующим категориям:
 Ничего не возвращали в результате работы
 Были асинхронными. Помечены словом async
public interface IActor : IThreadAware
{
IActorDispatcher Dispatcher { get; }
}

19. 19
Пример
[Actor]
public class AverageCalculator {
private float sum;
private int count;
public void AddSample(float n) {
count++;
sum += n;
}
[Reentrant]
public async Task<float> GetAverage() {
return sum / count;
}
}

20. 20
Thread Affine
Суть: Методы класса выполняется только в том потоке, в котором был создан
класс.
 Реализация просто запоминает поток создания объекта.
 Никаких особенностей =)

21. 21
Пример
[ThreadAffine]
public class OrderService {
public void Process(int sequence) {
Console.WriteLine("sequence {0}", sequence);
Console.WriteLine("sleeping for 10s");
Thread.Sleep(new TimeSpan(0, 0, 10));
}
}

22. 22
Thread Unsafe
Суть: При одновременном доступе к классу с нескольких потоков, выбрасывается
исключение.
 Не рекомендуется к использованию.
 Существует только для диагностики проблем многопоточности.
 Вызывает исключение, если смена значения происходит в другом потоке.
 Реализовано с помощью операции CompareExchange

23. 23
Пример
[ThreadUnsafe]
internal class AverageCalculator {
private float sum;
private int count;
public void AddSample(float n) {
count++;
sum += n;
}
public float GetAverage() {
return sum / count;
}
}

24. 24
Особенности использования
 Синхронные методы возвращающие результат должны быть помечены
атрибутом [ExplicitlySynchronized]
 Для таких методов/свойств просто не будет производится проверка
 Если точка входа в класс – приватный метод, то его надо обозначить
атрибутом [EntryPoint]
 Например, через делегат к приватному методу.

25. 25
Ограничения при использовании
 Ограниченная проверка на этапе сборки
 PostSharp проверяет структурную композицию, а не поведение элементов
 Блокирующее ожидание в async методах
 Все async методы должны быть помечены атрибутом [Reentrant]
 Нет асинхронного ожидания
 Нет защиты хоста
 Не проводились тесты на наличие исключений OutOfMemoryException или
ThreadAbortException в процессе работы.

26. 26
Написание своей валидации
 Фактически любой базовый аспект позволяет переопределить самостоятельно
метод CompileTimeValidate() для валидации на этапе компиляции
[Serializable]
public class MethodAttribute : OnMethodBoundaryAspect {
public override bool CompileTimeValidate(MethodBase method) {
}
}
[Serializable]
public class TypeAspect : TypeLevelAspect {
public override bool CompileTimeValidate(Type type) {
}
}

27. 27
Вопросы

28. 28
Ссылки
 Github https://github.com/VioletTape/PS_TPL_Examples
 PostSharp http://www.postsharp.net

29. 29
©LuxoftTraining2012
Спасибо!
my@violet-tape.net
softblog.violet-tape.ru