Nebenläufige Programmierung mit Java - Konzepte und Programmiermodelle für Multicore-Systeme

Vorwort

Inhaltsverzeichnis

Einführung

Dimensionen der Parallelität

Parallelität und Nebenläufigkeit

Die Vorteile von Nebenläufigkeit

Die Nachteile von Nebenläufigkeit

Sicherer Umgang mit Nebenläufigkeit

Maße für die Parallelisierung

Die Gesetze von Amdahl und Gustafson

Work-Span-Analyse

Parallelitätsmodelle

I Grundlegende Konzepte

Das Thread-Konzept von Java

Der main-Thread

Erzeugung und Starten von Threads

Thread-Erzeugung durch Vererbung

Thread-Erzeugung mit Runnable-Objekten

Der Lebenszyklus von Threads

Beendigung eines Threads

Auf das Ende eines Threads warten

Aktives Beenden von Threads

Unterbrechung mit interrupt

Thread-Zustände

Weitere Eigenschaften eines Thread-Objekts

Thread-Priorität

Daemon-Eigenschaft

Exception-Handler

Zusammenfassung

Konkurrierende Zugriffe auf Daten

Ein einleitendes Beispiel

Java-Speichermodell

Stacks und Heap

Speicher auf der Hardwareebene

Probleme mit gemeinsam nutzbaren Daten

Sequenzielle Konsistenz

Thread-sichere Daten und unveränderliche Objekte

Unveränderbare Objekte

Volatile-Attribute

Final-Attributte

Thread-lokale Daten

Fallstricke

Zusammenfassung

Elementare Synchronisationsmechanismen

Schlüsselwort synchronized

Synchronized-Methoden

Synchronized-Blöcke

Beispiel: Thread-sicheres Singleton

Monitorkonzept bei Java

Fallstricke

Zusammenfassung

Grundlegende Thread-Steuerung

Bedingungsvariablen und Signalisieren

Regeln zum Umgang mit wait, notify und notifyAll

Zusammenfassung

II Weiterführende Konzepte

Threadpools

Das Poolkonzept und die Klasse Executors

Executors mit eigener ThreadFactory

Explizite ThreadPoolExecutor-Erzeugung

Benutzerdefinierter ThreadPoolExecutor

Future- und Callable-Schnittstelle

Callable, Future und FutureTask

Callable, Future und ExecutorService

Callable und ThreadPoolExecutor

Callable und ScheduledThreadPoolExecutor

Callable und ForkJoinPool

Exception-Handling

Tipps für das Arbeiten mit Threadpools

Zusammenfassung

Atomic-Variablen

Compare-and-Set-Operation

Umgang mit Atomic-Variablen

Atomic-Skalare

Atomic-Referenzen

Accumulator und Adder in Java 8

Zusammenfassung

Lock-Objekte und Semaphore

Lock-Objekte

Das Lock-Interface

ReentrantLock

Das Condition-Interface

ReadWriteLock

StampedLock

Semaphore

Zusammenfassung

Thread-sichere Container

Collection-Typen

Thread-sichere Collections

Synchronisierte Collections

Unmodifiable Collections

Concurrent Collections

Zusammenfassung

III Ergänzende Synchronisationsmechanismen

Exchanger und BlockingQueue

Exchanger

Queues

Das Erzeuger-Verbraucher-Muster

Varianten

Pipeline von Erzeugern und Verbrauchern

Erzeuger-Verbraucher-Muster mit Empfangsbestätigung

Erzeuger-Verbraucher-Muster mit Work-Stealing

Zusammenfassung

CountDownLatch und CyclicBarrier

CountDownLatch

CyclicBarrier

Zusammenfassung

Phaser

Das Konzept des Phasers

Phaser als CountDownLatch

Phaser als CyclicBarrier

Phaser als variable Barriere

Zusammenspiel mit dem ForkJoin-Threadpool

Zusammenfassung

IV Parallelisierungsframeworks

Das ForkJoin-Framework

Grundprinzip des ForkJoin-Patterns

Programmiermodell

Einsatz von RecursiveAction

Einsatz von RecursiveTask

Einsatz von CountedCompleter

Work-Stealing-Verfahren

Zusammenfassung

Parallele Array- und Stream-Verarbeitung

Parallele Array-Verarbeitung

Parallele Transformation

Paralleles Sortieren

Parallele Präfixbildung

Funktionsprinzip der Stream-Verarbeitung

Funktionale Interfaces

Erzeugung von Streams

Transformations- und Manipulationsoperationen

Auswertungen von Streams

Eigenschaften und Operationsoptimierung

Parallele Stream-Verarbeitung: Datenparallelität

Arbeitsweise und korrekte Benutzung

Parallele Reduzierer

Parallele Collectoren

Funktionsweise von Spliteratoren

Benutzerdefinierte Spliteratoren

Zusammenfassung

CompletableFuture

CompletableFuture als Erweiterung des Future-Patterns

Design von asynchronen APIs

Asynchrone APIs mit Future

Asynchrone APIs mit CompletableFuture

Asynchrone Verarbeitung: Task-Parallelität

Das Starten einer asynchronen Verarbeitung

Definition einer asynchronen Verarbeitungskette

Das Arbeiten mit CompletableFutures

Das Konzept des CompletionStage

Lineare Kompositionsmöglichkeiten

Verzweigen und Vereinen

Synchronisationsbarrieren

Fehlerbehandlung und Abbruch einer Verarbeitung

Zusammenfassung

V Fallbeispiele

Asynchrones Logging

Lösung mit Thread-lokalen Daten

Verbesserte Version (Exchanger)

Datenstrukturen in Multithreaded-Umgebungen

Liste als sortierte Menge

Blockierende Lösungen (Locks)

Grobgranulare Synchronisierung

Feingranulare Synchronisierung

Optimistische Synchronisierung

Lockfreie Lösung (AtomicMarkableReference)

The Dining Philosophers Problem

Basisalgorithmus

Lösungsvarianten (Semaphore und Lock)

Lösung mit einem Semaphor

Lösung mit asymmetrischer Lock-Anforderung

Lösung mithilfe eines Koordinators

Lösung mit asymmetrischer Wait-Release-Strategie

Minimal aufspannende Bäume

Graphen und Spannbäume

Der Prim-Algorithmus

Funktionsweise des Algorithmus

Implementierung des Algorithmus

Parallelisierung (Phaser)

Mergesort

Funktionsprinzip des Algorithmus

Parallelisierung (ForkJoin-Framework)

Der k-Mean-Clusteralgorithmus

Der k-Mean-Algorithmus

Parallelisierung (Parallel Streams)

Datenmodell

Hilfsmethoden

Implementierung

Variante mit benutzerdefiniertem Collector

RSA-Schlüsselerzeugung

Verfahren für die Schlüsselerzeugung

Parallelisierung (CompletableFuture)

Threads bei JavaFX

Ein einfaches Beispiel

JavaFX-Concurrent-API

Handler-Konzept bei Android

UI-Thread und nebenläufige Aktivitäten

Messages, Message-Queue, Looper

Handler

Aktoren

Aktorenmodell

Beispielimplementierung mit Akka

Nachrichten

Beteiligte Aktoren

Starten der Anwendung

VI Anhang

Ausblick auf Java 9

Die Flow-Interfaces

Literaturverzeichnis

Index

www.dpunkt.de