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Programmation concurrente en Java
Florian Beaufumé
03/2017
Florian Beaufumé
• Architecte logiciel Java et web
• Freelance
• florian.beaufume@adeliosys.fr
• www.adeliosys.fr
• www.linkedin.com/in/fbeaufume
• fr.slideshare.net/fbeaufume
• Concepts
• Java SE
• Java EE et Spring
Sommaire
Concepts
• "Le nombre de transistor double tous les deux ans"
• "La fréquence double chaque 1,5 année"
Lois de Moore
• Concurrence :
• Des tâches qui peuvent se chevaucher
• Alternées ou pas
• Parallélisme :
• Exécution simultanées au niveau matériel
Concurrence vs parallélisme
• Gain maximal de latence suivant la part parallélisable du
traitement
Loi d'Amdahl
• Processus découpé en threads
• Natif vs green
• Ordonnancement préemptif vs coopératif
• Time slicing
• Fonctionnalités de distribution et coordination
• Bénéfices
• Utilisation des ressources
• Réactivité
• Couts
• Complexité de conception et débugging
• Ressources par thread et context switching
Modèle multi-threads
• Thread safe < Immutable < Stateless
• Section critique
• Opération atomique
• Contention
• Deadlock
• Starvation
Définitions
Java SE
• Concurrence intégrée au langage
• Basé sur des threads :
• Nom
• Priorité : 1 à 10
• Daemon ou pas
• Etat : NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, etc.
• Pile d'appel
• Exemple :
• Mémoire partagée suivant le Java Memory Model
Java 1.0
Java 1.0 - Threads de base
• Synchronisation de threads pour accéder à des données
Java 1.0 - Synchronized
• Permet d'implémenter un scope request :
• Sécurité (identité, droits)
• Transaction
• Tenant
• Java 1.2 : InheritableThreadLocal
Java 1.0 - ThreadLocal
• Exemple java.util.Timer :
• Un thread par timer
• Pas de garantie d'exécution
Java 1.3 - Timers
• Ajout de java.util.concurrent, merci Doug Lea
• Java Memory Model
• Interactions entre les threads
et la mémoire
• "Happens before"
• Volatile :
• R et W en mémoire principale
plutôt que sur cache CPU
• Rend R et W 64 bits (long et
double) atomique
• Mais pas un incrément
• Permet de la synchronisation
simple
Java 5
• Volatile seul
• Synchronized en écriture + volatile
Java 5 - Volatile
• Singleton lazy loadé classique
• Via double checked locking
Java 5 - Double checked locking
• ReentrantLock
• ReentrantReadWriteLock
Java 5 - Locks
• Coordination de threads sur des étapes
Java 5 - CountDownLatch
main
workers
await()
countdown()
• Map<K, V>
• Hashtable : synchronisée, clés et valeurs non null
• HashMap : pas synchronisée, accepte clés et valeurs nulles
• ConcurrentMap<K, V>
• Etend Map<K, V>
• Méthodes atomiques comme putIfAbsent(key, value)
• ConcurrentHashMap, implémentation efficace
Java 5 - ConcurrentHashMap
• Exécution de tâches sur pool de threads
Java 5 - Executors (1/2)
Executor
Executor
Service
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Executor
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Scheduled
Executor
Service
Scheduled
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Executor
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Supporte Future, ex :
Future<T> submit(Callable<T> task)
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Runnable command,
long initialDelay,
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TimeUnit unit)
Java 5 - Executors (2/2)
• Nombres atomiques
• Semaphore
• Et d'autres
Java 5 - Divers
• Equivalent mono-JVM de MapReduce
• Décompose une tache en sous-taches et recompose le
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• Fonctionne par work-stealing
• Etendre RecursiveAction (si pas de résultat) ou
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Java 7 - Fork/join (1/2)
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• Adder
• Bonnes performances (reporte les ajouts si besoin)
• Accumulator
• Généralisation de l'Adder
Java 8 - Adders et accumulators
Java 8 - StampedLock (1/2)
synchronized
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ReentrantLock
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Simplicité
Bonnes perfs en lecture
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Bonnes perfs en lecture
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Fonctionnalités
Java 8 - StampedLock (2/2)
• Execution dans le ForkJoinPool commun
• Parallélisme du ForkJoinPool commun :
• Par system property :
• -Djava.util.concurrent.ForkJoinPool.common.parallelism=7
• Sinon Runtime.getRuntime().availableProcessors() - 1
• Le thread courant aussi est utilisé
• Ou dans un ForkJoinPool custom
Java 8 - Parallel streams (1/2)
• Pas toujours plus performant, varie suivant :
• Type de collection : ArrayList plutôt que LinkedList
• Nature du traitement
• Taille de "N*Q" (nb d'élément * cout par élément)
• Nombre de cœurs, il faut > 1
• Mesurer les deux
• Par défaut utilisent tous le ForkJoinPool commun
• Attention aux lambdas stateful
Java 8 - Parallel streams (2/2)
• Classe qui implémente Future et CompletionStage
• Pour combiner/chainer des actions
• Syntaxe fonctionnelle
Java 8 - CompletableFuture
Java EE et Spring
• Modèle "thread-per-request" avec pools de thread
(HTTP/Servlet, EJB)
• Solutions Java SE fonctionnent mais…
• … utiliser les threads du framework
• Contextes de sécurité et de transaction
• Modèles de composants (Servlet, EJB, Spring, etc) :
• Cycle de vie et scope : request, session, etc.
• Modèle de concurrence, voir de locking
Principes généraux
• Servlet
• SingleThreadModel est déprécié
• Une instance pour toutes les requêtes, donc thread-safe
• Spring et CDI
• Concurrence manuelle via solutions de Java SE
• EJB session singleton
• @ConcurrencyManagement : container ou bean
• @AccessTimeout
• @Lock : read ou write
• Autres
Concurrence des composants
• EJB 3.1 (Java EE 6)
• Spring 3 ou Spring Data
• CDI
• Peut s'implémenter via intercepteur maison
• Evènements asynchrones de CDI 2 (Java EE 8)
Méthodes asynchrones
• Concurrency Utilities (Java EE 7)
• Spring
Executors
• EJB 3.1 Timer Service (Java EE 6)
• Concurrency Utilities (Java EE 7)
• Spring 3
Scheduling
• Concurrence d'accès aux données entre requêtes
utilisateurs
• "Transaction longue" quand plusieurs transactions de BD
• Solutions : locking optimiste ou pessimiste
Locking de persistance
R1 W1
R2 W2
t
Conflit
• Fonctionnement
• OptimisticLockException en cas de problème
• Pour faible taux de conflits
• Bénéfices
• Scalabilité
• Portabilité
• Inconvénients
• Gérer le conflit : reload, force, merge
Locking optimiste
R W
t
version=3 version=4
JPA
Hibernate"update … where version=3""select …"
• Fonctionnement
• Pour fort taux de conflits
• Bénéfices
• Simplicité
• Inconvénients
• Contention
• Pour transactions courtes
Locking pessimiste par la base
R W
t
"select … for update" "update …"
JPA 2
Hibernate
• Fonctionnement
• Table de lock (id, entityClass, entityId, userId, date)
• Pour fort taux de conflits
• Bénéfices
• Fonctions avancées (monitoring, historisation, etc)
• Inconvénients
• Mode édition dans l'UI
• Gérer l'expiration des locks
• Plus d'accès à la base
• Contention
Locking pessimiste applicatif
R W
t
JPA
Hibernate
Lock Unlock
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Programmation concurrente en Java

  • 1. Programmation concurrente en Java Florian Beaufumé 03/2017
  • 2. Florian Beaufumé • Architecte logiciel Java et web • Freelance • florian.beaufume@adeliosys.fr • www.adeliosys.fr • www.linkedin.com/in/fbeaufume • fr.slideshare.net/fbeaufume
  • 3. • Concepts • Java SE • Java EE et Spring Sommaire
  • 5. • "Le nombre de transistor double tous les deux ans" • "La fréquence double chaque 1,5 année" Lois de Moore
  • 6. • Concurrence : • Des tâches qui peuvent se chevaucher • Alternées ou pas • Parallélisme : • Exécution simultanées au niveau matériel Concurrence vs parallélisme
  • 7. • Gain maximal de latence suivant la part parallélisable du traitement Loi d'Amdahl
  • 8. • Processus découpé en threads • Natif vs green • Ordonnancement préemptif vs coopératif • Time slicing • Fonctionnalités de distribution et coordination • Bénéfices • Utilisation des ressources • Réactivité • Couts • Complexité de conception et débugging • Ressources par thread et context switching Modèle multi-threads
  • 9. • Thread safe < Immutable < Stateless • Section critique • Opération atomique • Contention • Deadlock • Starvation Définitions
  • 11. • Concurrence intégrée au langage • Basé sur des threads : • Nom • Priorité : 1 à 10 • Daemon ou pas • Etat : NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, etc. • Pile d'appel • Exemple : • Mémoire partagée suivant le Java Memory Model Java 1.0
  • 12. Java 1.0 - Threads de base
  • 13. • Synchronisation de threads pour accéder à des données Java 1.0 - Synchronized
  • 14. • Permet d'implémenter un scope request : • Sécurité (identité, droits) • Transaction • Tenant • Java 1.2 : InheritableThreadLocal Java 1.0 - ThreadLocal
  • 15. • Exemple java.util.Timer : • Un thread par timer • Pas de garantie d'exécution Java 1.3 - Timers
  • 16.
  • 17. • Ajout de java.util.concurrent, merci Doug Lea • Java Memory Model • Interactions entre les threads et la mémoire • "Happens before" • Volatile : • R et W en mémoire principale plutôt que sur cache CPU • Rend R et W 64 bits (long et double) atomique • Mais pas un incrément • Permet de la synchronisation simple Java 5
  • 18. • Volatile seul • Synchronized en écriture + volatile Java 5 - Volatile
  • 19. • Singleton lazy loadé classique • Via double checked locking Java 5 - Double checked locking
  • 21. • Coordination de threads sur des étapes Java 5 - CountDownLatch main workers await() countdown()
  • 22. • Map<K, V> • Hashtable : synchronisée, clés et valeurs non null • HashMap : pas synchronisée, accepte clés et valeurs nulles • ConcurrentMap<K, V> • Etend Map<K, V> • Méthodes atomiques comme putIfAbsent(key, value) • ConcurrentHashMap, implémentation efficace Java 5 - ConcurrentHashMap
  • 23. • Exécution de tâches sur pool de threads Java 5 - Executors (1/2) Executor Executor Service ThreadPool Executor Interfaces Classes Scheduled Executor Service Scheduled ThreadPool Executor void execute(Runnable) Supporte Future, ex : Future<T> submit(Callable<T> task) Supporte scheduling, ex : ScheduledFuture scheduleAtFixedRate( Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)
  • 24. Java 5 - Executors (2/2)
  • 25. • Nombres atomiques • Semaphore • Et d'autres Java 5 - Divers
  • 26.
  • 27. • Equivalent mono-JVM de MapReduce • Décompose une tache en sous-taches et recompose le résultat final • Fonctionne par work-stealing • Etendre RecursiveAction (si pas de résultat) ou RecursiveTask (si résultat) Java 7 - Fork/join (1/2)
  • 28. Java 7 - Fork/join (2/2)
  • 29. • Adder • Bonnes performances (reporte les ajouts si besoin) • Accumulator • Généralisation de l'Adder Java 8 - Adders et accumulators
  • 30. Java 8 - StampedLock (1/2) synchronized synchronized (W) et volatile ReentrantLock ReentrantRWLock StampedLock Simplicité Bonnes perfs en lecture Ajout de fonctionnalités (timed wait, try lock, etc.) Bonnes perfs en lecture Bonnes perfs, fonctionnalités (upgrade de lock R en W, etc.) Fonctionnalités
  • 31. Java 8 - StampedLock (2/2)
  • 32. • Execution dans le ForkJoinPool commun • Parallélisme du ForkJoinPool commun : • Par system property : • -Djava.util.concurrent.ForkJoinPool.common.parallelism=7 • Sinon Runtime.getRuntime().availableProcessors() - 1 • Le thread courant aussi est utilisé • Ou dans un ForkJoinPool custom Java 8 - Parallel streams (1/2)
  • 33. • Pas toujours plus performant, varie suivant : • Type de collection : ArrayList plutôt que LinkedList • Nature du traitement • Taille de "N*Q" (nb d'élément * cout par élément) • Nombre de cœurs, il faut > 1 • Mesurer les deux • Par défaut utilisent tous le ForkJoinPool commun • Attention aux lambdas stateful Java 8 - Parallel streams (2/2)
  • 34. • Classe qui implémente Future et CompletionStage • Pour combiner/chainer des actions • Syntaxe fonctionnelle Java 8 - CompletableFuture
  • 35. Java EE et Spring
  • 36. • Modèle "thread-per-request" avec pools de thread (HTTP/Servlet, EJB) • Solutions Java SE fonctionnent mais… • … utiliser les threads du framework • Contextes de sécurité et de transaction • Modèles de composants (Servlet, EJB, Spring, etc) : • Cycle de vie et scope : request, session, etc. • Modèle de concurrence, voir de locking Principes généraux
  • 37. • Servlet • SingleThreadModel est déprécié • Une instance pour toutes les requêtes, donc thread-safe • Spring et CDI • Concurrence manuelle via solutions de Java SE • EJB session singleton • @ConcurrencyManagement : container ou bean • @AccessTimeout • @Lock : read ou write • Autres Concurrence des composants
  • 38. • EJB 3.1 (Java EE 6) • Spring 3 ou Spring Data • CDI • Peut s'implémenter via intercepteur maison • Evènements asynchrones de CDI 2 (Java EE 8) Méthodes asynchrones
  • 39. • Concurrency Utilities (Java EE 7) • Spring Executors
  • 40. • EJB 3.1 Timer Service (Java EE 6) • Concurrency Utilities (Java EE 7) • Spring 3 Scheduling
  • 41.
  • 42. • Concurrence d'accès aux données entre requêtes utilisateurs • "Transaction longue" quand plusieurs transactions de BD • Solutions : locking optimiste ou pessimiste Locking de persistance R1 W1 R2 W2 t Conflit
  • 43. • Fonctionnement • OptimisticLockException en cas de problème • Pour faible taux de conflits • Bénéfices • Scalabilité • Portabilité • Inconvénients • Gérer le conflit : reload, force, merge Locking optimiste R W t version=3 version=4 JPA Hibernate"update … where version=3""select …"
  • 44. • Fonctionnement • Pour fort taux de conflits • Bénéfices • Simplicité • Inconvénients • Contention • Pour transactions courtes Locking pessimiste par la base R W t "select … for update" "update …" JPA 2 Hibernate
  • 45. • Fonctionnement • Table de lock (id, entityClass, entityId, userId, date) • Pour fort taux de conflits • Bénéfices • Fonctions avancées (monitoring, historisation, etc) • Inconvénients • Mode édition dans l'UI • Gérer l'expiration des locks • Plus d'accès à la base • Contention Locking pessimiste applicatif R W t JPA Hibernate Lock Unlock