Programação Paralela - Threads Glaucio Scheibel - GUJava/SC

O que é uma Thread? Java é um computador virtual e Thread é a sua CPU virtual. Num computador virtual podemos ter quantas CPU’s virtuais quisermos.

Java é um computador virtual e Thread é a sua CPU virtual.

Num computador virtual podemos ter quantas CPU’s virtuais quisermos.

Thread: Outras definições Divisão de um processo. SubProcesso. Linha de execução.

Divisão de um processo. SubProcesso.

Linha de execução.

Tipos de Processo: CPU x IO CPU Bound: processo que se utiliza principalmente de cálculos, dependendo totalmente da CPU. Ex: CAD, Jogos. IO Bound: processo que depende principalmente de externos (disco, banco de dados, rede, usuário). Ex: Proc. de dados, ERP, CRM.

CPU Bound: processo que se utiliza principalmente de cálculos, dependendo totalmente da CPU. Ex: CAD, Jogos.

IO Bound: processo que depende principalmente de externos (disco, banco de dados, rede, usuário). Ex: Proc. de dados, ERP, CRM.

Por que usar Thread’s Em aplicações IOBound , que muitas vezes é o mais comum que trabalhamos, desperdiçamos poderosos recursos computacionais na espera deste IO. CPU adquirida e sub-utilizada é perda de dinheiro.

Em aplicações IOBound , que muitas vezes é o mais comum que trabalhamos, desperdiçamos poderosos recursos computacionais na espera deste IO.

CPU adquirida e sub-utilizada é perda de dinheiro.

A pergunta que não quer calar Por que processar um a um, se podemos forçar a CPU e processar dois a dois ou três a três ou sei lá, Dez, Cem, Duzentos, Mil! Ou até tudo de uma só vez. Ex clássico: Calculo da folha de pagamento.

Por que processar um a um, se podemos forçar a CPU e processar dois a dois ou três a três ou sei lá, Dez, Cem, Duzentos, Mil!

Ou até tudo de uma só vez.

Ex clássico: Calculo da folha de pagamento.

Programa sem Threads

Programa com Threads

Concorrência X Paralelismo Tarefa Tarefa Tempo Tempo

Concorrência X Paralelismo Para termos a real paralelismo, precisamos ter mais de uma CPU física e um sistema operacional que as suporte. Muitas vezes não há a opção, o sistema possui um modelo, e na programação isto deve estar previsto.

Para termos a real paralelismo, precisamos ter mais de uma CPU física e um sistema operacional que as suporte.

Muitas vezes não há a opção, o sistema possui um modelo, e na programação isto deve estar previsto.

Scheduler / Escalonador Função do sistema operacional que define qual dos processos em execução poderá utilizar-se da CPU. Difere de sistema operacional para sistema operacional.

Função do sistema operacional que define qual dos processos em execução poderá utilizar-se da CPU.

Difere de sistema operacional para sistema operacional.

Modelos de Thread Cooperativo Preemptivo

Cooperativo

Preemptivo

Modelo Cooperativo As Thread’s devem cooperar umas com as outras, usando um pouco da CPU de cada vez. Fica a cargo das thread’s passar a vez. Reduz problemas de sincronização. Baseado puramente em prioridades.

As Thread’s devem cooperar umas com as outras, usando um pouco da CPU de cada vez.

Fica a cargo das thread’s passar a vez.

Reduz problemas de sincronização.

Baseado puramente em prioridades.

Modelo Cooperativo Vantagens: Maior velocidade com menos overhead. Problemas: Thread’s podem tornar-se selfish, ou seja, não liberar mais a CPU. Thread’s de menor prioridade podem entrar em starvation , ou seja, não conseguir mais acesso a CPU .

Vantagens:

Maior velocidade com menos overhead.

Problemas:

Thread’s podem tornar-se selfish, ou seja, não liberar mais a CPU.

Thread’s de menor prioridade podem entrar em starvation , ou seja, não conseguir mais acesso a CPU .

Modelo Preemptivo O sistema operacional utiliza uma espécie de timer para chavear as thread’s. Cada intervalo de execução é chamado de Timer Slice. Quando uma thread recebe a CPU, já esta pré-definido este tempo de uso.

O sistema operacional utiliza uma espécie de timer para chavear as thread’s. Cada intervalo de execução é chamado de Timer Slice.

Quando uma thread recebe a CPU, já esta pré-definido este tempo de uso.

Modelo Preemptivo Vantagens: Facilidade de programação. Teoricamente evita starvation. Problemas: Menos eficiente devido as thread’s serem gerenciadas pelo sistema operacional. Necessita de controle de sincronização.

Vantagens:

Facilidade de programação.

Teoricamente evita starvation.

Problemas:

Menos eficiente devido as thread’s serem gerenciadas pelo sistema operacional.

Necessita de controle de sincronização.

Sun Solaris Modo preemptivo para processos e modo cooperativo para Threads. 2 31 níveis de prioridade. Administrador pode restringir o nível de prioridade dos processos do usuário.

Modo preemptivo para processos e modo cooperativo para Threads.

2 31 níveis de prioridade.

Administrador pode restringir o nível de prioridade dos processos do usuário.

Microsoft Windows NT Modo preemptivo para processos e threads. 7 níveis de prioridade. Priority Boosting (acessível via C).

Modo preemptivo para processos e threads.

7 níveis de prioridade.

Priority Boosting (acessível via C).

Java 10 níveis de prioridade Na maioria dos casos, o Java mapeia suas próprias threads para threads do sistema operacional. Depende da implementação da VM (JRockit).

10 níveis de prioridade

Na maioria dos casos, o Java mapeia suas próprias threads para threads do sistema operacional. Depende da implementação da VM (JRockit).

Considerações na Codificação Assuma o pior caso: Posso ser preemptado a qualquer momento. Posso ser egoísta ( selfish ). Darei preferência as prioridades 1, 5 e 10; pois pode ser que a prioridade 10 não seja maior que a prioridade 9.

Assuma o pior caso:

Posso ser preemptado a qualquer momento.

Posso ser egoísta ( selfish ).

Darei preferência as prioridades 1, 5 e 10; pois pode ser que a prioridade 10 não seja maior que a prioridade 9.

Partes de uma Thread Java

Criando o Código da Thread public class Contador implements Runnable { private int id; public void run() { for (int i=1; i <= 10; i++) { System.out.println(“i=“ + i); } } }

public class Contador implements Runnable {

private int id;

public void run() {

for (int i=1; i <= 10; i++) {

System.out.println(“i=“ + i);

}

}

}

Criando a CPU de uma Thread public class Teste { public static void main(String[] args) { Contador c = new Contador(); Thread t = new Thread(c); } }

public class Teste {

public static void main(String[] args) {

Contador c = new Contador();

Thread t = new Thread(c);

}

}

Dados Lembra da variável local “i”? for (int i =1; i <= 10; i ++) { System.out.println(“i=“ + i ); } Variáveis locais são armazenadas nas Threads

Lembra da variável local “i”?

for (int i =1; i <= 10; i ++) {

System.out.println(“i=“ + i );

}

Variáveis locais são armazenadas nas Threads

Compartilhamento Diferentes Threads podem compartilhar o mesmo código: Thread t1 = new Thread( c ); Thread t2 = new Thread( c ); Thread t3 = new Thread( c );

Diferentes Threads podem compartilhar o mesmo código:

Thread t1 = new Thread( c );

Thread t2 = new Thread( c );

Thread t3 = new Thread( c );

Estados da Thread Pronto Rodando Bloqueada

Cooperativo: Passando a Vez Thread.sleep(long milesegundos) para a execução da Thread por um tempo pré-determinado. Thread.yield() passa a vez para outra Thread de igual ou maior prioridade.

Thread.sleep(long milesegundos)

para a execução da Thread por um tempo pré-determinado.

Thread.yield()

passa a vez para outra Thread de igual ou maior prioridade.

Preemptivo: Sincronização Mecanismo para evitar corrupção dos dados num ambiente multi-thread preemptivo. Membros dos objetos podem estar sendo invocados simultaneamente por n Threads, sem a certeza de seu término antes da preempção.

Mecanismo para evitar corrupção dos dados num ambiente multi-thread preemptivo.

Membros dos objetos podem estar sendo invocados simultaneamente por n Threads, sem a certeza de seu término antes da preempção.

Preemptivo: Objeto Monitor Objeto utilizado para servir de semáforo. Cada objeto possui um flag que determina qual thread tem o acesso exclusivo. Similar à lock de registro num banco de dados

Objeto utilizado para servir de semáforo.

Cada objeto possui um flag que determina qual thread tem o acesso exclusivo.

Similar à lock de registro num banco de dados

Preemptivo: Sincronização Modificador synchronized. O próprio objeto é o monitor. synchronized(Object o) {}. Bloco sincronizado especificando qual o objeto monitor.

Modificador synchronized.

O próprio objeto é o monitor.

synchronized(Object o) {}.

Bloco sincronizado especificando qual o objeto monitor.

Estados da Thread - Sincronização Pronto Rodando Bloqueada Travada

Notificação de recurso Muitas vezes a Thread recebe a CPU, mas não há recursos para executar. A Thread pode registrar-se para receber uma notificação. Sempre ligado a um bloco sincronizado.

Muitas vezes a Thread recebe a CPU, mas não há recursos para executar.

A Thread pode registrar-se para receber uma notificação.

Sempre ligado a um bloco sincronizado.

Notificação de recurso this.wait() Aguarda a notificação. this.notify() Notifica uma das Threads (não é possível dizer qual) que estão aguardando. this.notifyAll() Notifica todas as Threads que estão aguardando.

this.wait()

Aguarda a notificação.

this.notify()

Notifica uma das Threads (não é possível dizer qual) que estão aguardando.

this.notifyAll()

Notifica todas as Threads que estão aguardando.

Estados da Thread - Sincronização Pronto Rodando Bloqueada Travada Aguardando Notificação

Algumas Dicas Você pode ter ouvido dizer que para melhorar a performance, você deve evitar o uso de sincronização quando escrever e ler dados atômicos. Este aviso está perigosamente errado.

Você pode ter ouvido dizer que para melhorar a performance, você deve evitar o uso de sincronização quando escrever e ler dados atômicos. Este aviso está perigosamente errado.

Algumas Dicas Para evitar o risco de DeadLock, nunca ceda o controle de um método ou bloco sincronizado a um cliente. Num método sincronizado, evite invocar métodos desconhecidos, como por exemplo, um método abstrato.

Para evitar o risco de DeadLock, nunca ceda o controle de um método ou bloco sincronizado a um cliente.

Num método sincronizado, evite invocar métodos desconhecidos, como por exemplo, um método abstrato.

Algumas Dicas Sempre faça o menos possível dentro de um bloco sincronizado.

Sempre faça o menos possível dentro de um bloco sincronizado.

Algumas Dicas Somente execute o método wait() de dentro de um loop. O recurso que você estava esperando pode não estar disponível novamente.

Somente execute o método wait() de dentro de um loop.

O recurso que você estava esperando pode não estar disponível novamente.

Algumas Dicas Qualquer programa que confia no scheduler para a sua correta execução é considerável não-portável.

Qualquer programa que confia no scheduler para a sua correta execução é considerável não-portável.

Obrigado! Perguntas?