Atomics, CAS and Nonblocking algorithms
•
4 likes•3,005 views
My JEEConf 2015 presentation about Atomics, CAS operations and nonblocking algorithms.
Recommended
Recommended
More Related Content
What's hot
What's hot (20)
Viewers also liked
Viewers also liked (12)
Similar to Atomics, CAS and Nonblocking algorithms
Similar to Atomics, CAS and Nonblocking algorithms (20)
More from Alexey Fyodorov
More from Alexey Fyodorov (11)
Atomics, CAS and Nonblocking algorithms
- 1. Атомики, CAS и неблокирующие алгоритмы Алексей Федоров, ОК @23derevo
- 2. @23derevo — Oracle — 2011–2014 — Java Compatibility Kit (JCK) — OK.ru — since 2014 — Technology Evangelist — JUG.ru Group — JUG.ru & CodeFreeze — since 2012 — JPoint & Joker — since 2013 — Mobius & .NEXT — since 2014 2
- 3. 3
- 4. О чем этот доклад 4
- 5. О чем этот доклад 5
- 6. Модели — Модель с разделяемой памятью — Регистры — Операции: read, write — Удобно программировать, все привыкли — Модель с передачей сообщений — Послать сообщение — Похожа на то, как реально работает железо 6
- 7. Терминология — Нет устоявшейся терминологии — Термины: — Parallel — Concurrent — Distributed 7
- 8. Виды параллелизма — На уровне операционной системы — На уровне одной программы / процесса 8
- 9. Параллелизм — ОС — Слушать музыку и переписываться в фейсбуке в Одноклассниках — При зависании одной программы другие продолжают работать — и т.п. 9
- 10. Преимущества параллелизма — Использование нескольких ядер/процессоров — Да и на 1 ядре тоже! (async I/O) — Простота моделирования — Абстракция: фреймворк забирает сложность — Упрощенная обработка асинхронных событий — Более отзывчивые интерфейсы пользователя — Event Dispatch Thread (EDT), async calls 10
- 11. Параллелизм на уровне отдельно взятой программы — Эффективное использование ресурсов — Удобство, простота написания кода — Справедливость — Обработка запросов пользователей на серверах соцсети с одинаковым приоритетом — Читатели и писатели — Fairness (честность) 11
- 12. Честность 12
- 13. Честность 13 Lock lock = new ReentrantLock(true);
- 14. Честность 14 Lock lock = new ReentrantLock(true);
- 15. Честность 15
- 16. Блокировки — java.util.concurrent — since Java 5 — Lock —> ReentrantLock — ReadWriteLock —> ReentrantReadWriteLock — StampedLock — since Java 8 — Synchronized method / section — wait() / notify() / notifyAll() 16
- 17. Блокировки — java.util.concurrent — Lock —> ReentrantLock — ReadWriteLock —> ReentrantReadWriteLock — Syncronized method / section — wait() / notify() / notifyAll() 17 Общее: ожидание
- 18. Проблемы блокировок — Взаимоблокировки (Deadlocks) — Инверсия приоритетов — Надежность — вдруг владелец блокировки помрет? — Performance — Параллелизма в критической секции нет! — Владелец блокировки может быть вытеснен планировщиком 18
- 19. Закон Амдала — α — часть общего объема вычислений, которую нельзя распараллелить — 1-α — часть, которую можно распараллелить — p — количество потоков 19
- 20. Закон Амдала — α — часть общего объема вычислений, которую нельзя распараллелить — 1-α — часть, которую можно распараллелить — p — количество потоков 20
- 21. Алгоритмы без блокировок — Без препятствий (Obstruction-Free) — Поток совершает прогресс, если не встречает препятствий со стороны других потоков — Без блокировок (Lock-Free) — гарантируется системный прогресс хотя бы одного потока — Без ожидания (Wait-Free) — каждая операция выполняется за фиксированное число шагов, не зависящее от других потоков 21
- 22. Консенсус — Объект consensus с операцией decide(v): — consensus.decide(v) ≠ const — Wait-free — N Потоков вызывают consensus.decide() — i-ый поток вызывает consensus.decide(vi) — Каждый поток вызывает не более 1 раза — decide() возвращает одно из vi — decide() — протокол консенсуса 22
- 23. Консенсусное число — Мощность консенсуса — максимальное количество (N) потоков, для которых данный объект обеспечивает консенсус — Консенсусное число примитива синхронизации — максимальная мощность консенсуса, который можно построить на базе данного примитива и некоторого количества атомарных регистров — То есть, существует реализация метода decide для N потоков, использующая данный примитив как строительный блок 23
- 24. Консенсусное число — Операции на регистрах — 1 — Read-Modification-Write (RMW) — 2 — Common2 Class — коммутируют друг с другом или перезаписывают друг друга — Универсальные операции — ∞ — Сравнение с обменом (CAS): Compare-And-Swap, Compare-And-Set 24
- 25. Compare and Swap — Compare-and-swap (CAS) — IA32, x64 — SPARC — loadlinked + store-conditional (LL/SC) — PowerPC — ARM 25
- 26. Семантика CAS 26
- 27. Типичный паттерн применения 1. Прочитать значение A из переменной V 2. Взять какое-то новое значение B для V 3. Использовать CAS для атомарного изменения V из A в B до тех пор, пока другие потоки меняют значение V во время этого процесса Атомарность Read-Modify-Write реализуется за счет постоянного мониторинга системы на предмет постороннего вмешательства 27
- 28. Алгоритм 1: неблокирующий счетчик 28
- 29. Fast path vs. long path — Каждый блок кода может иметь, как минимум, два пути исполнения: короткий и длинный — Lock: contended vs. Uncontended — Uncontended Lock: — ≥ 1 CAS — Другая машинерия вокруг lock 29
- 30. Недостатки CAS — CAS заставляет потоки, которые его вызывают, работать в условиях соревнования (contention) — Больше contention = больше бесполезных циклов процессора, трата процессорного времени — Написание корректных и быстрых алгоритмов на CAS требует специальной подготовки 30
- 31. Поддержка CAS в JVM — В Java 5 появился JSR166 — пакет java.util.concurrent — пакет java.util.concurrent.atomic — На платформах, поддерживающих CAS, JIT- компилятор делает inline соответствующих машинных инструкций — Load Linked / Store Conditional — Интерпретатор использует Spin Lock 31
- 32. Atomic variable classes — Scalars — Field updaters — Arrays — Compound variables — Accumulators — since Java 8 32
- 33. Scalars — AtomicBoolean — AtomicInteger — AtomicLong — AtomicReference 33
- 34. AtomicInteger — boolean compareAndSet(int expect, int update) — int addAndGet(int delta) — int getAndDecrement() — int getAndIncrement() — int incrementAndGet() — … 34
- 37. Field Updaters — AtomicIntegerFieldUpdater — Reflection-based updater for volatile int — AtomicLongFieldUpdater — Reflection-based updater for volatile long — AtomicReferenceFieldUpdater — Reflection-based updater for object 37
- 38. AtomicLongFieldUpdater — long addAndGet(T obj, long delta) — boolean compareAndSet(T obj, long expect, long update) — long getAndAdd(T obj, long delta) — long incrementAndGet(T obj) 38
- 41. Atomic Arrays — AtomicIntegerArray — AtomicLongArray — AtomicReferenceArray 41
- 42. AtomicLongArray — long addAndGet(int i, long delta) — long getAndAdd(int i, long delta) — boolean compareAndSet(int i, long expect, long update) — long incrementAndGet(int i) — … 42
- 43. Compound Variables — AtomicMarkableReference — compareAndSet( V expectedReference, V newReference, boolean expectedMark, boolean newMark) — AtomicStampedReference — boolean compareAndSet( V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp) 43
- 44. Accumulators — DoubleAccumulator — DoubleAdder — LongAccumulator — LongAdder — (Striped64) 44
- 45. LongAccumulator — void accumulate(long x) — long get() — long getThenReset() — Void reset() 45
- 46. Неблокирующие алгоритмы — Алгоритм называется неблокирующим, если отказ или остановка любого потока не может привести к отказу или остановке любого другого потока — Алгоритм называется свободным от блокировок, если на каждом шаге какой-то поток выполняет работу (make progress) — Аглоритмы на CAS могут быть одновременно неблокирующими и свободными от блокировок 46
- 49. Неблокирующий стек — push 49
- 50. Неблокирующий стек — pop 50
- 51. Неблокирующая очередь — Michael and Scott, 1996 — Алгоритм неочевидный — Потоки помогают друг другу 51
- 52. 52
- 53. Проблема ABA 53
- 54. Литература — java.util.concurrent.atomic — Java 8 doc http://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/atomic/package-summary.html — Brian Goetz,Java Concurrency in Practice http://www.amazon.com/Java-Concurrency-Practice-Brian-Goetz/dp/0321349601 — Herlihy, Shavit The Art of Multiprocessor Programming http://www.amazon.com/The-Multiprocessor-Programming-Revised-Reprint/dp/0123973376 — Nitsan Wakart, Degrees of (Lock/Wait) Freedom http://psy-lob-saw.blogspot.com/2015/05/degrees-of-lockwait-freedom.html — OpenJDK sources 54