マルチスレッド化 : エンジニアのための重要な概念 - パート 1

主要なマルチスレッドの概念を理解することは、スキルセットを強化するだけでなく、アプリケーション開発、スケーラビリティ、およびソフトウェア ソリューション全体の品質に直接影響を与えるため、ソフトウェア開発者にとって非常に重要です。

原子性

マルチスレッドのコンテキストでは、アトミック操作により、スレッドが他のスレッドから中断されることなく一連のアクションを実行できることが保証されます。複数のスレッドが共有データの読み取りまたは書き込みを同時に試行する可能性があります。アトミック性がないと、変更を同時に行うと、一般に競合状態として知られる、一貫性のない結果や予期しない結果が生じる可能性があります。

Java 仕様では、「読み取り」と「書き込み」がそれらの組み合わせではなくアトミックな操作であることが保証されています。そのため、「読み取り、1 を加算し、その結果を書き戻す」操作は仕様に従ってアトミックではありません。このような操作は複合操作と呼ばれ、通常、コードでの使用のコンテキストではアトミックである必要があります。

アトミック操作の例:

1. カウンタのインクリメント: 2 つのスレッドがアトミック性なしで同時にカウンタをインクリメントすると、両方とも同じ値を読み取り、同じインクリメントされた値を書き戻す可能性があり、1 つのスレッドが失われる可能性があります。増分します。

2. 共有変数の更新: あるスレッドが値を読み取り、別のスレッドがその値を変更している場合、原子性がなければ、読み取りスレッドは矛盾した値を取得する可能性があります。

原子性の達成:

• アトミック クラス: 多くのプログラミング言語は、アトミックであることが保証されている操作をカプセル化するアトミック クラス (AtomicIntegerin Java など) を提供します。

• 同期メソッド/ブロック: Java などの言語では、synchronized キーワードを使用して、一度に 1 つのスレッドだけがコード ブロックまたはメソッドを実行できるようにすることができます。

• ロック: 明示的なロック (ReentrantLockin Java など) を使用して、共有リソースへのアクセスを管理します。

特典

• パフォーマンス: java.util.concurrent.atomic のクラスは、スレッドの安全性を確保するためのロックフリーのアプローチも提供しており、多くのシナリオで推奨される選択肢となっています。
• シンプルさ: アトミック クラスを使用すると、開発者がロックを管理する必要がなくなり、プログラムのロジックに集中できるため、コードが簡素化されます。
• スレッドの安全性: アトミック操作により、データ破損や競合状態のリスクなしに、変数が複数のスレッド間で安全に更新されることが保証されます。

不変性

不変性とは、作成後に状態を変更できないオブジェクトのプロパティを指します。プログラミングにおいて、不変オブジェクトとは、一度初期化されると変更または変更できないオブジェクトのことです。不変オブジェクトを変更する代わりに、必要な変更を加えた新しいオブジェクトが作成されます。

不変とは、オブジェクトのコンストラクターが実行を完了すると、そのインスタンスを変更できないことを意味します。

不変オブジェクトの特性

• 状態変更なし: 不変オブジェクトが作成されると、その状態 (属性またはフィールド) は存続期間を通じて一定のままになります。

• スレッドセーフ: 不変オブジェクトは変更できないため、同期を必要とせずに複数のスレッド間で安全に共有できます。

• ハッシュコードの安定性: 不変オブジェクトのハッシュコードは、存続期間を通じて同じままであるため、HashMap や HashSet などのハッシュベースのコレクションでの使用に適しています。

不変性の達成:

• レコードの使用 (Java 14 ): Java では、レコード機能により、不変のデータ クラスを作成する簡潔な方法が提供されます。

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

• 不変のデータ構造を使用する: 次のような、プログラミング言語またはライブラリによって提供される既存の不変のデータ構造を利用します。

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

2. C#: System.Collections.Immutable の ImmutableList、ImmutableArray

3. Python: タプルは本質的に不変です。

• Final フィールドを使用する: クラスのフィールドを Final として宣言します。これにより、オブジェクトの構築中にフィールドを 1 回だけ割り当てることができるようになります。

• No Setters: 可変フィールドには setter メソッドを提供しないでください。これにより、オブジェクトの構築後に外部コードがオブジェクトの状態を変更するのを防ぎます。
  

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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