Javaとマルチスレッド

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さゆりうるしはた
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1 Javaとマルチスレッド 2016/7/30 湯川敦

2 目次 1. きっかけ 2. マルチスレッド対応が必要になる場面とは? 3. Javaのプロセスとスレッドについて 4. Javaのメモリ構成について 5. スレッドセーフについて 6. スレッド間競合における問題の回避策あれこれ 7. まとめ

3 きっかけ現場の新人 SE より Web アプリケーションサーバに関して以下の質問を受けた ConcurrentModificationException の発生原因について質問は以下のように続いたマルチスレッドで起きる例外のようだがシングルスレッドでも起きることがあるのか?

4 きっかけ Web アプリケーションサーバは基本的にマルチスレッド環境なんだけどそのことを理解できていないのかな? Web アプリケーションサーバにおけるマルチスレッドを考慮したプログラミングの基礎知識をまとめてみました

5 目次 1. きっかけ 2. マルチスレッド対応が必要になる場面とは? 3. Javaのプロセスとスレッドについて 4. Javaのメモリ構成について 5. スレッドセーフについて 6. スレッド間競合における問題の回避策あれこれ 7. まとめ

6 マルチスレッド対応が必要になる場面とは? Java バッチなどで明示的に並列処理を行う場合自分でマルチスレッド処理を組むため意識できる Java アプリケーションサーバ上でのプログラミング (Tomcat, WebSphere, WebLogic, etc.) アプリケーションサーバ側でマルチスレッド処理部分が行われるため基礎知識が不足していれば自分ではマルチスレッド環境で動くコードだと意識できない場合がある今回は後者を解説

7 Java サーバサイドプログラミングはすべてマルチスレッドである! マルチスレッド起動を行うコーディングをしなくてもアプリケーションサーバ自身が並列処理をサポートしているサーブレットAへのリクエストサーブレットAへのリクエストサーブレット B へのリクエスト常にマルチスレッドをサーブレットA 意識したプログラミングが必要不可欠サーブレットB! サーブレット C スレッド 1: サーブレット A スレッド 2: サーブレット A スレッド 3: サーブレット B Web アプリケーションサーバ

8 目次 1. きっかけ 2. マルチスレッド対応が必要になる場面とは? 3. Javaのプロセスとスレッドについて 4. Javaのメモリ構成について 5. スレッドセーフについて 6. スレッド間競合における問題の回避策あれこれ 7. まとめ

9 プロセスとは? OS によって実行される個別のプログラムのことプロセスごとに専用のメモリが割り当てられる ( 参考 )e-words IT 用語辞典ソフトウェアの世界では OS からメモリ領域などの割り当てを受けて処理を実行しているプログラムのことを言う

10 スレッドとは? 並列処理の際の最小の実行単位のこと ( 参考 )e-words IT 用語辞典ソフトウェアやプログラミングなどの分野で並列処理に対応した OS 上でのプログラムの最小の実行単位をスレッドという

11 プロセスとスレッドの違いプロセスは OS から専用のメモリ空間を与えられて実行されるプログラムの単位スレッドは並列処理の最小実行単位 1 つのプロセスに 1 つのスレッドしかない場合もある ( シングルスレッド ) 1 つのプロセスに複数のスレッドがある場合もある ( マルチスレッド )

12 プロセスとスレッドの概念図 1 つのプロセスに複数スレッドがある場合スレッド間でメモリは共有される! 共有メモリプロセス 1 専用メモリプロセス 2 専用メモリプロセス 3 専用メモリスレット 1-1 スレット 1-2 スレット 2-1 スレット 3-1 スレット 3-2 プロセス 1 プロセス 2 プロセス 3 OS

13 目次 1. きっかけ 2. マルチスレッド対応が必要になる場面とは? 3. Javaのプロセスとスレッドについて 4. Javaのメモリ構成について 5. スレッドセーフについて 6. スレッド間競合における問題の回避策あれこれ 7. まとめ

14 Java のメモリ構成図種類 1 種類 2 格納対象共有 / 個別ヒープメモリ Native メモリ Java ヒープ 1 Permanent ヒープ 2 C ヒープスレッドスタックオブジェクト ( インスタンス ) インスタンス変数クラスメソッド情報クラス変数定数 JavaVM 自身や Native コード等各スレッド毎のローカル変数共有メモリスレッド個別メモリ

15 Java のメモリ構成図前頁の表について補足今回は共有メモリとスレッド固有メモリを明示したかっただけなので詳細説明は省く 1 Java ヒープは New 領域 (Eden, Survivor0, Survivor1) および Old 領域に細分化され世代管理される 2 前頁の表は Java1.7 以前のもの Java1.8 では Permanent ヒープが廃止され Metaspece が新設されたが共有メモリとスレッド個別メモリの分類は変わらない ( 参考 )

16 目次 1. きっかけ 2. マルチスレッド対応が必要になる場面とは? 3. Javaのプロセスとスレッドについて 4. Javaのメモリ構成について 5. スレッドセーフについて 6. スレッド間競合における問題の回避策あれこれ 7. まとめ

17 スレッドセーフとは? マルチスレッド環境において他のスレッドの影響を受けずに安全な実行が可能なこと ( 参考 )e-words IT 用語辞典 %83%95.html マルチスレッド環境でライブラリやプログラムクラスなどが複数のスレッドから同時に利用されても正常に動作すること

18 スレッドセーフの条件原則他のスレッドから完全に独立していること具体的には? 他のスレッドと共通のオブジェクト ( インスタンス ) を参照していないこと

19 絶対にスレッドセーフなクラスローカル変数は使用しているインスタンス変数クラス変数は状態が不変のもの ( 定数 ) しか参照していないこの状態をステートレスという但し public メソッドの引数として渡されるオブジェクトが共有オブジェクトであった場合はスレッドセーフではなくなる厳密にスレッドセーフを意識するなら引数のオブジェクトをコピーしてそちらを使うなどの考慮が必要?

20 絶対にスレッドセーフなクラス < サンプルソース 1> public class SampleA extends HttpServlet { private final String HTML = "<HTML>" + "<BODY>" + "Hello World!" + "</BODY>" + "</HTML>" ; HTML はインスタンス変数だが final String のため不変オブジェクト HttpServlet のサブクラスとして SampleA クラスを作成 doget メソッドを作成 } protected void doget(httpservletrequest req, HttpServletResponse res) throws ServletException, java.io.ioexception { PrintWriter out = res.getwriter(); out.println(html); PrintWriterオブジェクトを取 } 得しローカル変数に格納し printlnメソッドでhtml 出力

21 絶対にスレッドセーフなクラス < サンプルソース 1> SampleAクラスのdoGetメソッドに複数スレッドから同時にアクセスされた場合スレッド 1 スレッド 2 スレッド 1 用スタック out req res out req res スレッド 2 用スタック共有メモリ領域 PrintWriter オブジェクト HttpServletRequest オブジェクト HttpServletResponse オブジェクト HTML ( 定数 ) SampleA オブジェクト PrintWriter オブジェクト HttpServletRequest オブジェクト HttpServletResponse オブジェクト

22 状況次第でスレッドセーフなクラスローカル変数は使用しているクラス変数は状態が不変のもの ( 定数 ) しか参照していないインスタンス変数は参照使用しているがそのクラスのインスタンスは複数スレッドからアクセスされることがないことが明らかである

23 状況次第でスレッドセーフなクラス < サンプルソース 2 その 1> public class SampleB extends HttpServlet { private final String HTML = "<HTML><BODY>" + Name: %s" + "</BODY></HTML>" ; } HttpServletのサブクラスとして SampleBクラスを作成 HTML 内に変数埋め込み箇所を定義 protected void doget(httpservletrequest req, HttpServletResponse res) throws ServletException, java.io.ioexception { PrintWriter out = res.getwriter(); SampleBForm form = new SampleBForm(); form.setname(req.getparameter( NM )); out.println(string.format(html, form.getname())); } SampleBFormオブジェクトを格納したformから値を取り出作成しリクエストパラメーし HTMLに埋め込んで出力タを格納

24 状況次第でスレッドセーフなクラス < サンプルソース 2 その 2> public class SampleBForm { private String name; public String getname() { return this.name; } 1 つのインスタンス変数と getter, setter メソッドを定義 public void setname(string name) { return this.name = name; } }

25 状況次第でスレッドセーフなクラス < サンプルソース 2 その 2> SampleBクラスのdoGetメソッドに複数スレッドから同時にアクセスされた場合スレッド 1 スレッド 2 スレッド 1 用スタック out req res form form out PrintWriter Obj. HttpServletRequest Obj. HttpServletResponse Obj. SampleB Obj. HTML( 定数 ) 共有メモリ領域 name SampleBForm Obj. SampleBForm Obj. name req res スレッド 2 用スタック PrintWriter Obj. HttpServletRequest Obj. HttpServletResponse Obj.

26 スレッドセーフではないクラス複数スレッドから参照されているインスタンスがインスタンス変数を参照使用しているまたはクラス変数を参照使用している

27 スレッドセーフではないクラス < サンプルソース 3> public class SampleC extends HttpServlet { private final String HTML = "<HTML><BODY>" + Time: %s" + "</BODY></HTML>" ; private static final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat( yyyy-mm-dd HH:MM:SS ); HttpServletのサブクラスとして dogetメソッド内から SampleCクラス SimpleDateFormat#format を作成メソッドを呼び出しクラス変数としてスレッドセーフではない SimpleDateFormatをことで有名定義 protected void doget(httpservletrequest req, HttpServletResponse res) throws ServletException, java.io.ioexception { } } PrintWriter out = res.getwriter(); out.println(string.format(html, sdf.format(new Date())));

28 スレッドセーフではないクラス < サンプルソース 3> SampleCクラスのdoGetメソッドに複数スレッドから同時にアクセスされた場合スレッド 1 スレッド 1 用スタック out req res PrintWriter Obj. HttpServletRequest Obj. HttpServletResponse Obj. SampleC Obj. HTML( 定数 ) 共有メモリ領域 SampleC クラス定義情報 sdf スレッド 2 out req res スレッド 2 用スタック PrintWriter Obj. HttpServletRequest Obj. HttpServletResponse Obj. format() SimpleDateFormat オブジェクト

29 確実にスレッドセーフを担保するための基本方針インスタンスが複数スレッドから参照されるクラスの場合ローカル変数は使用可能インスタンス変数クラス変数は定数の参照のみ可能インスタンスが複数スレッドから参照されないクラスの場合ローカル変数インスタンス変数は使用可能クラス変数は定数の参照のみ可能

30 JavaEE の主なフレームワークのマルチスレッド対応フレームワーク Controller クラスインスタンスの複数スレッド共有クラス変数 JavaEE 標準 HttpServlet 有り ( 基本的に流用 ) NG NG Apache Struts Seasar2 SAStruts Spring Web MVC Action 有り (Singleton) Action 無し ( リクエスト毎 ) Controller 有り (Singleton) 設定次第では無し NG インスタンス変数 NG NG OK NG NG 設定次第では OK Spring Framework においてはインスタンスの生成スコープを設定変更できるため呼び出し毎またはリクエスト毎にインスタンスを生成する設定にすれば複数スレッドからの共有はされない

31 目次 1. きっかけ 2. マルチスレッド対応が必要になる場面とは? 3. Javaのプロセスとスレッドについて 4. Javaのメモリ構成について 5. スレッドセーフについて 6. スレッド間競合における問題の回避策あれこれ 7. まとめ

32 複数スレッドの競合で正しい処理ができなくなる典型パターン read-modify-write: 読み取って変更して書き戻す check-then-act: チェックした結果に基づいて処理 check-if-absent: チェックしてなければ置き換えるいずれも状態を読み取りその結果に基づき行動するが並列処理では行動する前に他スレッドによりその行動する前提の状態が書き換わってしまいうまくいかなくなる ( 参考 )

33 ConcurrentModificationException Collection クラスを Iterator を使ってループ中にその Collection 自体に対して変更操作を行った際に発生する主にマルチスレッド環境で発生する例外だがシングルスレッド環境でもたとえばループ内で自分自身の要素を削除しようとすれば発生する回避策としては Iterator を使わないという原始的な方針もあるが並行 Collection クラスを使う方法が推奨ただそれだけでは根本解決しないことも多いので注意 ( 参考 )

34 スレッドセーフ基本方針が満たせない場合の対応方針複数スレッドからアクセスされる可能性のある箇所のなかで共有変数を参照更新するような特に注意すべき箇所に対しては以下のような対応が有効となる 1. 複数スレッドが同時にアクセスしないよう同期化 (Synchronized 化 ) する 2. Atomic 型のクラスを利用 (java.util.concurrent.atomic) 3. 並行 Collection クラスを利用 (java.util.concurrent) 4. スレッド毎に個別のデータを格納できる ThreadLocal クラスを利用

35 同期化 (Synchronized 化 ) 前述のような競合時に問題となる処理に対して synchronized 化し一連の処理が分割実行されないようにするただ並列性が損なわれパフォーマンス低下を招く危険があるため注意が必要 Atomic 型や並行 Collection クラスを利用することで解決する場合はそちらが推奨される

36 Atomic 型 int counter=0; counter++; といった一見 1 つの処理のように見えて実は 1 読み取り 21 加算 3 書き込みという複合操作になっているような操作を Atomic な操作 ( 分割されない最小単位の操作 ) として実行させることができるクラス Java1.5 で導入 AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0); counter.addandget(1);

37 並行 Collection 型並列なアクセスに対応した Collection クラス Java1.5 で導入先に述べた ConcurrentModificationException が発生しない ConcurrentHashMap Iterator ループ中に別スレッドが値を更新しても直前の更新を反映した値が取得できる ( 但し確実ではない ) CopyOnWriteArrayList Iterator や更新処理時 Collection のコピーを生成し競合が起きないように処理するかなりコストが高いが更新頻度よりループ処理などのデータ走査頻度が多い場合にメリットがある ( 参考 )

38 ThreadLocal スレッドごとの固有情報を保存することができマルチスレッド環境における競合回避には非常に便利です ThreadLocal<String> str = new ThreadLocal( abc ); 但し Web アプリケーションサーバ上で使う場合メモリリークが起きる場合があるようですもし利用する場合は確実に ThreadLocal#remove するように心がけることが重要になりそうです ( 参考 )

39 目次 1. きっかけ 2. マルチスレッド対応が必要になる場面とは? 3. Javaのプロセスとスレッドについて 4. Javaのメモリ構成について 5. スレッドセーフについて 6. スレッド間競合における問題の回避策あれこれ 7. まとめ

40 まとめ Java サーバサイドのプログラミング (Java アプリケーションサーバなどを利用 ) の場合マルチスレッドの考慮は必須! スレッドセーフなサーブレットの基本はステートレス ( ローカル変数以外使わない ) どうしてもそうできない場合は Synchronized 化 Atomic 型並行 Collection ThreadLocal などのクラスも使いながらスレッドセーフなコーディング方法をきっちり考えよう

41 ご清聴ありがとうございました!

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Microsoft PowerPoint ppt 独習 Java ( 第 3 版 ) 6.7 変数の修飾子 6.8 コンストラクタの修飾子 6.9 メソッドの修飾子 6.10 Object クラスと Class クラス 6.7 変数の修飾子 (1/3) 変数宣言の直前に指定できる修飾子全部で 7 種類あるキーワード final private protected public static transient volatile 意味定数として使える変数同じクラスのコードからしかアクセスできない変数サブクラスまたは同じパッケージ内のコードからしかアクセスできない変数他のクラスからアクセスできる変数インスタンス変数ではない変数クラスの永続的な状態の一部ではない変数不意に値が変更されることがある変数

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