Multithreading : Konsep Utama untuk Jurutera - Bahagian 1

Memahami konsep multithreading utama adalah penting untuk pembangun perisian, kerana ia bukan sahaja meningkatkan set kemahiran tetapi juga memberi kesan secara langsung kepada pembangunan aplikasi, kebolehskalaan dan kualiti keseluruhan penyelesaian perisian.

Atomicity

Dalam konteks multithreading, operasi atom memastikan bahawa thread boleh melaksanakan satu siri tindakan tanpa gangguan daripada thread lain. Berbilang rangkaian mungkin cuba membaca atau menulis data yang dikongsi secara serentak. Tanpa atomicity, pengubahsuaian serentak boleh membawa kepada keputusan yang tidak konsisten atau tidak dijangka, biasanya dikenali sebagai keadaan perlumbaan.

Spesifikasi Java menjamin bahawa 'membaca' dan 'menulis' adalah operasi atom bukan gabungannya. jadi operasi yang 'membaca, menambah 1 dan kemudian menulis hasilnya kembali' bukan atom mengikut spesifikasi. operasi sedemikian dipanggil operasi kompaun dan ia biasanya perlu atom dalam konteks penggunaannya dalam kod kami.

Contoh Operasi Atom:

1. Menambah pembilang: Jika dua utas menambah pembilang pada masa yang sama tanpa atomicity, kedua-duanya mungkin membaca nilai yang sama dan menulis semula nilai yang sama, yang membawa kepada kehilangan satu kenaikan.

2. Mengemas kini pembolehubah kongsi: Jika satu utas sedang membaca nilai manakala satu lagi sedang mengubah suainya, tanpa atomicity, utas bacaan mungkin mendapat nilai yang tidak konsisten.

Mencapai Atomicity:

• Kelas Atom: Banyak bahasa pengaturcaraan menyediakan kelas atom (cth., AtomicIntegerin Java) yang merangkum operasi yang dijamin sebagai atom.

• Kaedah/Blok Disegerakkan: Dalam bahasa seperti Java, anda boleh menggunakan kata kunci disegerakkan untuk memastikan hanya satu urutan boleh melaksanakan blok kod atau kaedah pada satu masa.

• Kunci: Menggunakan kunci eksplisit (cth., ReentrantLockin Java) untuk mengurus akses kepada sumber kongsi.

Kebaikan

• Prestasi: Kelas dalam java.util.concurrent.atomic juga menyediakan pendekatan tanpa kunci untuk memastikan keselamatan benang, menjadikannya pilihan pilihan dalam banyak senario.
• Kesederhanaan: Menggunakan kelas atom memudahkan kod, kerana pembangun tidak perlu mengurus kunci dan boleh memfokuskan pada logik program.
• Keselamatan Benang: Operasi atom memastikan pembolehubah dikemas kini dengan selamat merentas berbilang rangkaian tanpa risiko kerosakan data atau keadaan perlumbaan.

Ketidakbolehubah

Ketidakbolehubah merujuk kepada sifat objek yang keadaannya tidak boleh diubah suai selepas ia dicipta. Dalam pengaturcaraan, objek tidak berubah ialah objek yang, setelah dimulakan, tidak boleh diubah atau diubah. Daripada mengubah suai objek tidak berubah, objek baharu dibuat dengan perubahan yang diingini.

Tidak boleh ubah bermakna apabila pembina untuk objek telah menyelesaikan pelaksanaan, contoh itu tidak boleh diubah.

Ciri-ciri Objek Tidak Boleh Berubah

• Tiada Perubahan Keadaan: Sebaik sahaja objek tidak berubah dicipta, keadaannya (atribut atau medan) kekal malar sepanjang hayatnya.

• Selamat Benang: Objek tidak boleh ubah boleh dikongsi dengan selamat antara berbilang rangkaian tanpa memerlukan penyegerakan, kerana ia tidak boleh diubah suai.

• Kestabilan Kod Cincang: Kod cincang objek tidak boleh berubah kekal sama sepanjang hayatnya, menjadikannya sesuai untuk digunakan dalam koleksi berasaskan cincang seperti HashMap atau HashSet.

Mencapai Ketidakbolehubah:

• Penggunaan Rekod (dalam Java 14 ): Di Java, ciri rekod menyediakan cara ringkas untuk mencipta kelas data tidak berubah.

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

• Gunakan Struktur Data Tidak Berubah: Gunakan struktur data tidak berubah sedia ada yang disediakan oleh bahasa pengaturcaraan atau perpustakaan, seperti:

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

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

3. Python: Tuples secara semula jadi tidak boleh berubah.

• Gunakan Medan Akhir: Isytiharkan medan kelas sebagai akhir. Ini memastikan bahawa medan hanya boleh diberikan sekali, semasa pembinaan objek.

• Tiada Setter: Elakkan menyediakan kaedah setter untuk medan boleh ubah. Ini menghalang kod luaran daripada menukar keadaan objek selepas ia dibina.
  

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

Atas ialah kandungan terperinci Multithreading : Konsep Utama untuk Jurutera - Bahagian 1. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!