Bài viết được sự cho phép của tác giả Trần Văn Dem

Concurrent in Java Note

Khi lập trình đa luồng việc đảm bảo tính threadsafe, visiable,… là rất quan trọng. Để đạt được mục đích này, Java cung cấp rất nhiều phương pháp trong package java.util.concurrent

Bài viết này sẽ cung cấp cho các bạn đầy đủ những kiến thức về lớp này để có thể áp dụng vào các project của mình.

1. Reentrant là gì?

Khi lập trình hoặc các tài liệu về concurrent thường sẽ đề cập đến khái niệm Reentrant, Reentrant Lock. Vậy cụ thể tính Reentrant là gì? Xét ví dụ sau:

public class ReentrantTest {

    private final Object object = new Object();

    public void setA() {
        synchronized (object) {
            System.out.println("setA");
            setB();
        }
    }

    public void setB() {
        synchronized (object) {
            System.out.println("setB");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantTest t = new ReentrantTest();
        t.setA();
    }
}

Nếu Lock được sử dụng trong hàm main() bên trên không phải dạng Reentrant thì sẽ gây ra deadlock và không thể kết thúc được chương trình.

Trong Java có các loại reentrant lock sau :

• synchronized
• Các lock kế thừa từ class ReentrantLock.java. Trong quá trình làm việc của mình thì chỉ có một Lock không Reentrant đó là StampedLock

2. FairSync vs NonfairSync

Xét ví dụ khai báo ReentrantLock : var lock = new ReentrantLock();. Click vào trong lớp ReentrantLock.java ta thấy được hàm khởi tạo sau ta sẽ thấy FairSync và NonfairSync

    /**
 * Creates an instance of {@code ReentrantLock}.
 * This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.
 */
public ReentrantLock(){
        sync=new NonfairSync();
        }

/**
 * Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
 * given fairness policy.
 *
 * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
 */
public ReentrantLock(boolean fair){
        sync=fair?new FairSync():new NonfairSync();
        }

Giả sử ta có 3 thread: T1,T2,T3 cùng muốn truy cập một tài nguyên R. Theo thứ tự thời gian thì T1 đến trước sau đó lần lượt là T2 và T3. T2, T3 đến sau nên phải đợi T1 release Lock mới có thể truy cập tài nguyên của R.

Vậy bài toán ở đây là sau khi T1 release Lock thì T1 hay T2 sẽ là luồng tiếp theo lấy được Lock.

Để giải quyết bài toán này Java có 2 chiến thuật :

• FairSync: đảm bảo được thứ tự luồng nào chờ lâu nhất thì sẽ lấy được lock. Trong ví dụ trên là T2.
• NonfairSync: không đảm bảo thứ tự, bất cứ luồng nào đang chờ đều có thể lấy được lock.

Tham khảo thêm về công việc của Java Developer tại đây

2.1 Hiệu năng của FairSync vs NonfairSync

Dựa vào hàm khởi tạo mặc định Lock của Java thì chúng ta có thể đoán được NonfairSync sẽ mang lại hiệu năng tốt hơn.

NonfairSync mang lại hiệu năng cao hơn vì 2 lý do sau :

• Nó không cần quan tâm đến thứ tự các thread nên sẽ không phải duy trì thêm một cấu trúc dữ liệu để phục vụ cho điều này vì vậy code phần này sẽ đơn giản hơn nhiều. Ngược lại FairSync cần phải sử dụng thêm cấu trúc dữ liệu AbstractQueuedSynchronizer để xác định được thứ tự sử dụng lock
• Khi đánh thức tất cả các thread thì sẽ có thread dậy nhanh, thread dậy chậm. Vì vậy thread dậy trước sẽ lấy lock và thực hiện logic trước và sau đó nó sẽ trả lại lock cho các thread sau. Vì vậy sẽ tăng được hiệu năng sử dụng.

Giả sử ta có theo thời gian ta có thread T1, T2, T3. T2, T3 đang chờ lock được trả lại của T1

• Thời gian cần để thức dậy của T3 là w3 = 1ms
• Thời gian thực hiện loigc của T3 là l3 = 1ms
• Thời gian cần để thức dậy của T2 là w2 = 3ms
• Thời gian thực hiện loigc của T2 là l2 = 2ms

Tổng thời gian để thực hiện xong logic của T2,T3 là:

• FairSync : w2 + l2 + w3 + l3 = 3 + 2 + 1 +1 = 7 ms
• NonfairSync: w3 +l3+ (w2 – w3 + l3) + l2 = 1 + 1+ (3 -1 -1 )+ 2 = 5 ms

Mặc định của các loại lock của Java sẽ sử dụng cách thức NonfairSync , vì nó mạng lại hiệu năng cao hơn với phương pháp FairSync. synchronized sẽ sử dụng NonfairSync. Sẽ có benchmark bên dưới.

3. synchronized

synchronized là một loại lock của Java, khi một thread gọi phương thức trong synchronized block thì nó sẽ tự động acquires một intrinsic lock.

synchronized là một dạng reentrant vì vậy trong ví dụ đầu tiên sẽ không bị deadlock. synchronized chỉ hỗ trợ NonfairSync.

Các dữ liệu được thay đổi trong synchronized block sẽ được tất cả các luồng nhìn thấy.

4. ReentrantLock

ReentrantLock chắc chắn sẽ là reentrant, nó hỗ trợ cả 2 loại NonfairSync và FairSync. Mặc định sẽ sử dụng chiến thuật NonfairSync.

Các dữ liệu được thay đổi trong ReentrantLock hoặc bất cứ loại lock nào đều được các luồng nhìn thấy khi thực hiện acquires lock

ReentrantLock implement interface Lock vì vậy nó cũng cấp thêm một số API mà synchronized không có như :

• Hỗ trợ timeout khi acquires lock
• tryLock() sẽ không block lại thread mà trả lại kết quả luôn là có acquires lock hay không

Sử dụng Lock interface thì lưu ý luôn luôn phải unlock tốt nhất nên dùng finally để tránh trường hợp deadlock.

5. Benchmark concurrent in Java

Các ảnh benchmark bên dưới được đo bởi phiên bản Java 11, theo throughput, Code đo hiệu năng tại Link.

Một luồng đọc và luồng ghi

Một luồng đọc và 19 luồng ghi

19 luồng đọc và một luồng ghi.

Vì chưa tìm ra được chế độ để upload gallery trên github nên mọi người xem đầy đủ các hình ảnh benchmark tại benchmark-result

6. Segment Lock

Đây không phải một Lock của Java, đây chỉ là một chiến thuật sử dụng Lock hiệu quả. Thiết kế này chia tài nguyên cần khóa thành các segment và một segment sẽ được kiểm soát độc lập với nhau.

Cách thiết kế này được sử dụng trong ConcurrentHashMap của Java, ConcurrentHashMap có hàm khởi tạo sau:

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,float loadFactor,int concurrencyLevel);

Từ Java version < 1.8 giả sử concurrencyLevel=16 ở đây nghĩa sẽ có tối đa 16 thread có thể thay đổi dữ liệu trong ConcurrentHashMap thay vì chỉ 1 thread có quyền ghi vào Map.

Implement ConcurrentHashMap Java 1.7 ConcurrentHashMap java 1.7

Từ Java version >=1.8 concurrentLevel không còn ý nghĩa để giới hạn luồng ghi nữa, ConcurrentHashMap của phiên bản này đã chuyển sang implement bằng Unsafe và ít Lock hơn rất nhiều, cụ thể như sau:

• Nếu hashslot hiện tại còn trống thì sẽ sử dụng lệnh U.compareAndSetObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v); để thêm object vào hashTable, hàm này không block
• Nếu hashslot đã có Object ghi vào thì sử dụng synchronized cho duy nhất hashslot đó để thực hiện ghi. Vì vậy số thread tối đa được có quyền thay đổi ConcurrentHashMap sẽ là số lượng hashslot

Chi tiết Implement ConcurrentHashMap Java 11 tại ConcurrentHashMap java 11

    final V putVal(K key,V value,boolean onlyIfAbsent){
        if(key==null||value==null)throw new NullPointerException();
        int hash=spread(key.hashCode());
        int binCount=0;
        for(Node<K, V>[]tab=table;;){
        Node<K, V> f;int n,i,fh;K fk;V fv;
        if(tab==null||(n=tab.length)==0)
        tab=initTable();
        else if((f=tabAt(tab,i=(n-1)&hash))==null){
        if(casTabAt(tab,i,null,new Node<K, V>(hash,key,value)))
        break;  // no lock when adding to empty bin
        }
        else if((fh=f.hash)==MOVED)
        tab=helpTransfer(tab,f);
        else if(onlyIfAbsent // check first node without acquiring lock
        &&fh==hash
        &&((fk=f.key)==key||(fk!=null&&key.equals(fk)))
        &&(fv=f.val)!=null)
        return fv;
        else{
        V oldVal=null;
synchronized (f){ // lock here
        if(tabAt(tab,i)==f){
        if(fh>=0){
        //............................
        }
        }

7. ReentrantReadWriteLock

synchronized và ReentrantLock là các khóa độc quyền (Exclusive lock), nghĩa là trong một thời điểm chỉ có duy nhất một thread có quyền truy cập và giao tiếp với tài nguyên dùng chung.

Nhưng sẽ có rất nhiều chương trình có yêu cầu đọc nhiều hơn rất nhiều so với yêu cầu ghi. Sử dụng Exclusive lock sẽ làm giảm hiệu năng sử dụng trong trường hợp này.

Để nâng cao hiệu năng thì cần sử dụng một shared lock để các thread có thể cùng lúc có thể đọc dữ liệu dùng chung.

ReentrantReadWriteLock là một giải pháp cho các chương trình trên, nó cung cấp 2 loại Lock:

• readlock : Dùng để read. Nhiều luồng có thể đọc dữ liệu cùng một lúc nếu không có luồng update dữ liệu
• writelock : Dùng để write. Chỉ có 1 luồng được update dữ liệu tại một thời điểm.

Hiểu sâu hơn về ReentrantReadWriteLock cần phải trả lời được một số câu hỏi sau :

• Có quá nhiều ReadLock đang chờ acquire() thì writelock sẽ phải chờ cho đến khi nào nữa thì mới có thể accquire được lock.
• Khi một thread release writelock, thời điểm đó có yêu cầu accquire() của nhiều readlock() và writelock() thì readlock() hay writelock() sẽ được acquire(). Nếu readlock() được acquire thì sẽ tăng tính concurrent nhưng sẽ lại làm đói writelock

Tại phiên bản Java 11 thì ReentrantReadWriteLock đang được implement để thiên vị hơn cho writelock.

Tạo điều kiện tối đa cho writelock có thể acquire được Lock. Cụ thể khi đọc mã nguồn của ReentrantReadWriteLock khi thực hiện acquire() :

• readlock : Một thread muốn acquire readlock() phải kiểm tra trong AbstractQueuedSynchronizer có writeLock() chờ được acquire hay không.
• writelock :
  • Nếu lock có thể acquire (hiện tại không có readlock/writelock) thì thực hiện acquire và đánh dấu writelock đang giữ lock.
  • Nếu lock không thể acquire thì thực hiện ghi writeLock vào đầu AbstractQueuedSynchronizer, để được ưu tiên acquire

8. StampedLock

StampedLock là một loại lock mới cung cấp 3 loại lock: ReadLock, WriteLock và Optimistic Read.

StampedLock không có tính chất Reentrant.

Optimistic Read sẽ mang lại 2 ưu điểm sau :

• Optimistic Read không phải là một Lock thế nên tốc độ của nó sẽ nhanh hơn readLock
• Write Thread sẽ không bị block khi có rất nhiều thread thực hiện Optimistic Read.

Pattern hay sử dụng với Optimistic Read như sau, tham khảo java doc StampedLock Java Doc

Theo benchmark thì StampedLock sẽ có tốc độ hơn rất nhiều so với ReentrantReadWriteLock khi có rất nhiều luồng đọc và ít luồng ghi.

9. Condition, wait(), notify(), notifyAll()

Trong lập trình đơn luồng chúng ta sử dụng if-else để kiểm tra điều kiện sau đó thực hiện logic.

Trong lập trình đa luồng việc dùng if-else sẽ không khả thi bởi vì điều kiện sẽ được một thread khác thay đổi vậy nên sử dụng if-else sẽ không kết luận được gì cả.

Vì vậy chúng ta cần có một cơ chế để thực hiện giao tiếp giữa các Thread với nhau, để phục vụ điều đó chúng ta có interface Condition.

Nếu không sử dụng Condition, trong bài toán consumer-producer, các Thread giao tiếp thông qua một threadsafe queue có thể phải implement consumer như sau:

    public V take()throws InterruptedException{
        while(true){
            synchronized (this){
                if(!isEmpty())
                     return doTake();
                }
            Thread.sleep(100);
        }
    }

Thread sẽ phải sleep() một khoảng thời gian nhất định rồi kiểm tra lại xem đã có dữ liệu với trong queue chưa, điều này hiển nhiên là lãng phí.

Khi sử dụng Condition thì sẽ tiết kiệm hơn rất nhiều. Ví dụ method take() của ArrayBlockingQueue

public E take()throws InterruptedException{
        final ReentrantLock lock=this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try{
            while(count==0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }

notEmpty ở đây sẽ là một Condition dùng để giao tiếp giữa các luồng consumer và producer. khi notEmpty.await() thì thread sẽ release lock,sau khi được thread khác đánh thức thì thread đang chờ bắt buộc phải acquire được lock trước khi thực hiện tiếp logic

Pattern khi sử dụng Condition thông thường sẽ là :

        acquire lock on object state 
        while(precondition does not hold){
            release lock
            wait until precondition might hold
            reacquire lock
        }
        perform action
        release lock
        (Java concurrent in practive)

Một số lưu ý khi sử dụng object.wait() hay Condition :

• Nên sử dụng notifyAll()
• Thread gọi notifyAll(), await(), wait() ,… nên là Thread acquired lock.
• Nên để điều kiện check trong vòng lặp while() thay vì if-else. Bởi vì chúng ta cần thiết phải check lại điều kiện trước khi gọi await() và sau khi được trả về từ await() vì trong môi trường multiThread có thể điều kiện đã bị một Thread khác thay đổi.

10. LongAdder

Trong ảnh benchmark bên trên chúng ta thấy một class khá mới là LongAdder. Lớp này có hiệu năng cực kỳ cao khi có nhiều luồng cùng thực hiện ghi vào. Lý do là lớp này đã sử dụng cơ chế segment khi có tương tranh khi ghi ( >= 2 luồng cùng thực hiện ghi vào LongAdder) và nguyên tắc padding dữ liệu cho các segment này.

padding là cơ chế chống lại false-sharing tại tầng Cache L1,L2,L3 của CPU. Bài viết về kỹ thuật này đã được giới thiệu qua tại Mechanical-sympathy, tương lai sẽ có bài riêng nói rõ hơn về cơ chế happen-before và padding.

Cụ thể ta xét code của LongAdder.

public class LongAdder extends Striped64 implements Serializable {
    transient volatile Cell[] cells;
    transient volatile long base;

    public void add(long x) {
        Cell[] cs;
        long b, v;
        int m;
        Cell c;
        if ((cs = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {
            boolean uncontended = true;
            if (cs == null || (m = cs.length - 1) < 0 ||
                    (c = cs[getProbe() & m]) == null ||
                    !(uncontended = c.cas(v = c.value, v + x)))
                longAccumulate(x, null, uncontended);
        }
    }

    public long sum() {
        Cell[] cs = cells;
        long sum = base;
        if (cs != null) {
            for (Cell c : cs)
                if (c != null)
                    sum += c.value;
        }
        return sum;
    }
}

@jdk.internal.vm.annotation.Contended
static final class Cell {
    volatile long value;

    Cell(long x) {
        value = x;
    }

    final boolean cas(long cmp, long val) {
        return VALUE.compareAndSet(this, cmp, val);
    }

    final void reset() {
        VALUE.setVolatile(this, 0L);
    }

    final void reset(long identity) {
        VALUE.setVolatile(this, identity);
    }

    final long getAndSet(long val) {
        return (long) VALUE.getAndSet(this, val);
    }

    // VarHandle mechanics
    private static final VarHandle VALUE;

    static {
        try {
            MethodHandles.Lookup l = MethodHandles.lookup();
            VALUE = l.findVarHandle(Cell.class, "value", long.class);
        } catch (ReflectiveOperationException e) {
            throw new ExceptionInInitializerError(e);
        }
    }
}

Tại hàm add(long x) cũng tương tự như các lớp Atomic, LongAdder cũng dùng cơ chế CAS để thực hiện thay đổi biến volatile long base.

Nhưng có chút khác biệt là khi thực hiện CAS bị false hoặc trước đó đã có lần bị false thì ngay lập tức tìm Cell tương ứng với luồng thực hiện hàm add(). Sau đó thực hiện CAS trên lớp Cell này.

Lớp Cell được đánh dấu là Contended thì JVM sẽ thực hiện padding các dữ liệu trong lớp này để tránh trường hợp false sharing.

False Sharing có thể sảy ra tại lớp LongAdder vì các thread không bị block khi thực hiện CAS trên lớp Cell. Và lớp LongAdder này lại lưu một mảng Cell, vậy rất có thể xảy ra trường hợp một thread thay đổi giá trị của Cell sẽ có thể khiến các thread đang thay đổi cell khác bị invalid cache.

11. CountDownLatch, Semaphore, Atomic

Lời kết

Trên đây là các khái niệm cơ bản mình nghĩ các bạn cần phải nắm rõ để quá trình làm việc dễ dàng hơn, kèm theo đó cũng là một số kiến thực mình tự tìm hiểu và tổng hợp được trong quá trình làm việc. Nó sẽ phát huy khá nhiều trong quá trình phỏng vấn của các bạn đó.

Bài này khá dài rồi nên phần visiable mình sẽ viết tại bài blog của tháng sau. Hy vọng bài này cung cấp cho các bạn một chút kiến thức để trong quá trình làm việc hiệu quả hơn.

Bài viết gốc được đăng tải tại demtv.hashnode.dev

Xem thêm:

• Bỏ túi 6 đoạn code chỉ với một dòng rất hữu ích trong JavaScript
• Thêm kiểm tra type trong Javascript với VS Code
• Frontend Developer là gì? Làm thế nào để trở thành một Frontend

Tuyển dụng IT lương cao, đãi ngộ hấp dẫn. Ứng tuyển ngay!