Multithreading: Schlüsselkonzepte für Ingenieure – Teil 1

Das Verständnis wichtiger Multithreading-Konzepte ist für Softwareentwickler von entscheidender Bedeutung, da es nicht nur die Fähigkeiten verbessert, sondern sich auch direkt auf die Anwendungsentwicklung, Skalierbarkeit und die Gesamtqualität von Softwarelösungen auswirkt.

Atomizität

Im Kontext von Multithreading stellen atomare Operationen sicher, dass ein Thread eine Reihe von Aktionen ohne Unterbrechung durch andere Threads ausführen kann. Mehrere Threads versuchen möglicherweise gleichzeitig, gemeinsam genutzte Daten zu lesen oder zu schreiben. Ohne Atomizität können gleichzeitige Änderungen zu inkonsistenten oder unerwarteten Ergebnissen führen, die allgemein als Rennbedingungen bezeichnet werden.

Die Java-Spezifikation garantiert, dass „Lesen“ und „Schreiben“ atomare Operationen und nicht deren Kombinationen sind. Daher ist eine Operation, die „liest, 1 hinzufügt und dann das Ergebnis zurückschreibt“, gemäß Spezifikation nicht atomar. Solche Operationen werden als zusammengesetzte Operationen bezeichnet und müssen im Zusammenhang mit ihrer Verwendung in unserem Code normalerweise atomar sein.

Beispiele für atomare Operationen:

1. Inkrementieren eines Zählers: Wenn zwei Threads gleichzeitig einen Zähler ohne Atomizität erhöhen, lesen sie möglicherweise beide denselben Wert und schreiben denselben inkrementierten Wert zurück, was zu einem Verlust von einem führt Inkrement.

2. Aktualisieren einer gemeinsam genutzten Variablen: Wenn ein Thread einen Wert liest, während ein anderer ihn ändert, ohne Atomizität, erhält der lesende Thread möglicherweise einen inkonsistenten Wert.

Atomizität erreichen:

• Atomklassen: Viele Programmiersprachen bieten atomare Klassen (z. B. AtomicInteger in Java), die Operationen kapseln, die garantiert atomar sind.

• Synchronisierte Methoden/Blöcke: In Sprachen wie Java können Sie das synchronisierte Schlüsselwort verwenden, um sicherzustellen, dass jeweils nur ein Thread einen Codeblock oder eine Methode ausführen kann.

• Sperren: Verwendung expliziter Sperren (z. B. ReentrantLock in Java), um den Zugriff auf gemeinsam genutzte Ressourcen zu verwalten.

Vorteile

• Leistung: Klassen in java.util.concurrent.atomic bieten auch einen sperrenfreien Ansatz, um Thread-Sicherheit zu gewährleisten, was sie in vielen Szenarien zur bevorzugten Wahl macht.
• Einfachheit: Die Verwendung atomarer Klassen vereinfacht den Code, da Entwickler keine Sperren verwalten müssen und sich auf die Logik des Programms konzentrieren können.
• Thread-Sicherheit: Atomare Operationen stellen sicher, dass Variablen über mehrere Threads hinweg sicher aktualisiert werden, ohne dass das Risiko einer Datenbeschädigung oder Race Conditions besteht.

Unveränderlichkeit

Unveränderlichkeit bezieht sich auf die Eigenschaft eines Objekts, dessen Zustand nach seiner Erstellung nicht geändert werden kann. In der Programmierung sind unveränderliche Objekte solche, die nach ihrer Initialisierung nicht mehr geändert oder verändert werden können. Anstatt ein unveränderliches Objekt zu ändern, wird ein neues Objekt mit den gewünschten Änderungen erstellt.

Unveränderlich bedeutet, dass diese Instanz nicht mehr geändert werden kann, sobald der Konstruktor für ein Objekt die Ausführung abgeschlossen hat.

Eigenschaften unveränderlicher Objekte

• Keine Statusänderung: Sobald ein unveränderliches Objekt erstellt wurde, bleibt sein Status (Attribute oder Felder) während seiner gesamten Lebensdauer konstant.

• Thread-sicher: Unveränderliche Objekte können sicher zwischen mehreren Threads geteilt werden, ohne dass eine Synchronisierung erforderlich ist, da sie nicht geändert werden können.

• Hashcode-Stabilität: Der Hashcode eines unveränderlichen Objekts bleibt während seiner gesamten Lebensdauer derselbe, sodass es für die Verwendung in Hash-basierten Sammlungen wie HashMap oder HashSet geeignet ist.

Unveränderlichkeit erreichen:

• Verwendung von Datensätzen (in Java 14): In Java bietet die Datensatzfunktion eine übersichtliche Möglichkeit, unveränderliche Datenklassen zu erstellen.

public record ImmutablePoint(int x, int y) {}

• Verwenden Sie unveränderliche Datenstrukturen: Nutzen Sie vorhandene unveränderliche Datenstrukturen, die von der Programmiersprache oder Bibliotheken bereitgestellt werden, wie zum Beispiel:

1. Java: Collections.unmodifiableList(), List.of(), Set.of()

2. C#: ImmutableList, ImmutableArray aus System.Collections.Immutable

3. Python:Tuples sind von Natur aus unveränderlich.

• Endgültige Felder verwenden: Deklarieren Sie die Felder einer Klasse als endgültig. Dadurch wird sichergestellt, dass die Felder beim Objektaufbau nur einmal zugewiesen werden können.

• Keine Setter: Vermeiden Sie die Bereitstellung von Setter-Methoden für veränderbare Felder. Dadurch wird verhindert, dass externer Code den Status eines Objekts ändert, nachdem es erstellt wurde.
  

public final class ImmutablePoint {
    private final int x;
    private final int y;

    public ImmutablePoint(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    public int getX() {
        return x;
    }

    public int getY() {
        return y;
    }
}

• Static Factory Methods: Instead of providing a public constructor, use static factory methods that return new instances of the object, making it clear that the state cannot be changed

• Builder Pattern (for complex objects): For objects that require many parameters, use the builder pattern to create immutable objects. The builder accumulates the parameters and constructs an immutable instance at the end.

Benefits

• Concurrency: If the internal structure of an immutable object is valid, it will always be valid. There's no chance that different threads can create an invalid state within that object. Hence, immutable objects are Thread Safe.

• Garbage collection: It's much easier for the garbage collector to make logical decisions about immutable objects.

Outro

Arming yourself with this knowledge not only enhances your ability to write high-performance code but also prepares you for the challenges of modern software development, where responsiveness and scalability are paramount. As you continue your journey into the world of multithreading, remember that each concept you master will contribute to your growth as a developer and your capacity to create applications that meet and exceed user expectations.

Stay tuned as we will focus on starvation, deadlock, race-condition, OS scheduling and much more in upcoming write-up, that would elevate your programming skills and boost your career!

References

A huge thanks to the online documentation, community and all the resources available that made this write-up possible.

1. Info-graphic
2. Understanding Basic Multithreading Concepts
3. Atomicity
4. What is immutable

Disclaimer: This article is AI-assisted. The article structure and idea list are 100% manually curated and researched. I proofread all AI-generated texts to ensure information accuracy and to add some contexts

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