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1
Nebenläufigkeit mit
Koroutinen strukturieren
Jörn Dinkla
© 2021 ThoughtWorks
C++
1985
C++ 98
1998
2
2004 2007 2021
2001 2011 2014 2016
Java 9
Reactive
2017
Java 7
Fork/Join
2011
Java 8
Streams
CmplFut
2014
Java 5
2004
Java 1
1995
C++ 11
thread
2011
C++ 14
mutex
2014
C++ 17
par STL
2017
C++ 20
2020
Kotlin
1.0
2016
Kotlin
1.3
2018
Kotlin
1.4
2020
Historische Perspektive
Kotlin
0.0
2011
Kotlin ist Multiplatform
● Server Side / JVM
● Android
● Multiplatform Mobile (core)
● JavaScript (core)
Code für den Vortrag nur auf JVM getestet
https://github.com/jdinkla/2021_kkon_warmup.git
Schwerpunkt hier: JVM
3
https://github.com/Kotlin/kotlinx.coroutines
Nebenläufigkeit und Parallelität
4
https://www.flickr.com/photos/ensermac/49956350473
Browser sind nebenläufig
5
Damit man schneller lesen kann ...
Mit Parallelität beschleunigen ...
Beispiel: Computergrafik
6
https://www.tomsguide.com/us/what-is-ray-tracing,news-27880.html
Datenparallelität
Nebenläufigkeit strukturieren
● Bewährte Lösungsschablonen
● Wiederverwendbare Vorlage
Entwurfsmustern als Grundlage zur
Strukturierung von Nebenläufigkeit!
Mit Entwurfsmustern “design patterns”
7
https://parallelbook.com/
Diagramme aus:
https://parallelbook.com/sites/parallelbook.com/files/SC13_20131117_Intel_McCool_Robison_Reinders_Hebenstreit.pdf
Prozess im Betriebssystem
8
● Prozess ist Einheit der Ausführung
● Verwaltung von OS-Ressourcen
○ Speicher
○ IO-Deskriptoren
Bild: https://www.cs.uic.edu/~jbell/CourseNotes/OperatingSystems/images/Chapter4/4_01_ThreadDiagram.jpg
Thread im Betriebssystem
● Prozess
○ 1..* Threads
○ Gemeinsame Ressourcen
○ Gemeinsamer Adressraum
● Parallelität
Ein Thread ist ein leichtgewichtiger Prozess.
9
Bild: https://www.cs.uic.edu/~jbell/CourseNotes/OperatingSystems/images/Chapter4/4_01_ThreadDiagram.jpg
Thread in JVM
10
● Java Thread entspricht OS-Thread
● OS macht Scheduling
○ Context-Switch erforderlich
● Leichtgewichtig?
○ 64kB - 2MB, default 1MB Stackgröße
http://blog.jamesdbloom.com/JVMInternals.html
Threads mit Kotlin benutzen
Fork-Join-Pattern
11
fork
join
Thread-Pool in Kotlin nutzen
Schlafende Threads mit sleep()
12
fork
join
Beispiel: Thread-Pool mit Kotlin
submit
13
Wie lange dauert es?
Alle Räder stehen still, ...
● Weil nur Platz für 4 Threads im Pool ist, muss einer nach
den anderen laufen
● Thread.sleep blockiert den Thread
… wenn alle Threads im Pool blockiert sind
14
Rechner wird nicht
genutzt
Vergrößerung des Pools?
15
● Ncpu: Anzahl der CPUs “number”
● Ucpu: Auslastung “utilization” 0.0 - 1.0
Verhältnis W/C
● Wartender Anteil W “waiting”
● Rechnender Anteil C “computing”
Waiting und Computing
Berechnung der Pool-Größe
16
Ncpu Ucpu W C Nthreads
8 1.0 0 1 8
8 1.0 1 1 16
8 1.0 10 1 80
8 1.0 430 9 390.2
CPU bound
Latency bound
Beispiele
Folgerungen
17
Wenn W >> C wird der Pool sehr groß
⇒
W/C sollte minimiert werden
Frage: Kann man statt warten etwas anderes tun?
“Latency hiding”
To block or not to block ...
18
Kotlin nutzt DSLs
19
Beispiel für HTML
https://kotlinlang.org/docs/type-safe-builders.html
(
(
(
(
(
(
(
)
)
)
)
)
)
)
20
Hello World mit Koroutinen
DSL für Koroutinen
21
Hello World mit Koroutinen
22
● Bindeglied zu synchronem Code
● Neuer CoroutineScope
● Wartet auf alle Koroutinen
runBlocking { }
Hello World mit Koroutinen
23
● Koroutine-Builder
● Startet Koroutine asynchron
launch { }
Hello World mit Koroutinen
24
● Analog Thread.sleep(), aber nicht-blockierend
● “suspension point”
delay()
Unterbrechbare Funktionen ...
25
● Einziges neues Keyword für Koroutinen
● Unterbrechbare Funktionen oder Lambdas
○ Nur von anderen unterbrechbaren Funktionen oder
Koroutinen aufrufbar
Werden mit suspend gekennzeichnet
Koroutinen laufen in Threads
Per Default im Thread “main”
26
Koroutinen mit delay()
Nebenläufigkeit mit Dispatcher
27
Launch mit
Dispatcher!
Job
5 Threads vs. 5000 Koroutinen
Hase gegen Igel?
28
Es gibt einen Unterschied!
Die Wartezeit wird ausgenutzt!
29
Taten statt
Warten
Under the cover
30
https://www.flickr.com/photos/brookpeterson/50346847276/
Wer veranlasst die Unterbrechung ?
Unterschiedliche Arten des Multitaskings
31
Thread
● Präemptives Multitasking
● Von außen vom OS-Scheduler unterbrochen
● Unterbrechung kann zu jeder Zeit passieren
Koroutine
● Kooperatives Multitasking
● Benutzt Suspension-Points, um zum Dispatcher
zurückzukehren
Jede Phase ist ein Zustand in einem endlichen Automat
Koroutinen
32
https://github.com/Kotlin/KEEP/blob/master/proposals/coroutines.md
Kotlin Evolution and Enhancement Process
“Suspension Points” definieren “Phasen”
Phase 0
Phase 1
Phase 2
Endlicher Automat
33
Zustand
Phasen
CoroutineDispatcher
34
● Dispatchers.Default
○ CPU-Bound: Anzahl der Kerne inkl. Hyper-Threading
● Dispatchers.IO
○ max(64, #CPUs), kotlinx.coroutines.io.parallelism
● Dispatchers.Main
○ Single-Thread für UI
● Dispatchers.Unconfined
○ Wenn Thread nicht wichtig ist
Vordefinierte “Thread-Pools”
CPU bound
Koroutinen-Builder: launch
35
● erstellt Job
● Optionale Argumente
● CoroutineContext
● CoroutineStart: optional Lazy
“Fire and forget”
CoroutineContext
36
● Indizierte Menge von “Kontext-Elementen” (Statisch, “immutable”)
● Enthält per Default
○ Job
○ Dispatcher
● Optional
○ Exception-Handler, Cancelling
● Hierarchie mit Job.children()
Operative Eigenschaften der Koroutine
Koroutinen-Builder: async
37
● erstellt Deferred<T>
● Vereinfachte Future<T>
● Erbt von Job
Gibt einen Wert zurück
Beispiel: Quicksort
Parallele Dekomposition, Divide & Conquer
38
Beispiel: Quicksort
Aufruf und Vergleich
39
Speedup 3.5
CoroutineScope
40
● Hat CoroutineContext
● Platz für eigene Extensionsfunktionen
● Hierarchische Organisation
○ Keine Leaks
○ Exceptions- und Cancelling
Structured Concurrency
Job
Job
Job
Job
Exceptions
launch {}
41
Leitet ganz nach oben
weiter!
Exceptions
async {}
42
Jedes catch auf dem
Weg nach oben!
SupervisorJob
Supervisor kann eigene Fehler-Strategie implementieren
hat andere Eigenschaften
43
Cancellation
Mit Exceptions implementiert
44
Benötigt Kooperation
Lebenszyklus eines Jobs
Zustände
45
Cancelling
Completed
Cancelled
New Active Completing
start complete finish
finish
cancel fail
Timeouts
Ebenfalls mit Exceptions implementiert
46
Achtung bei Nebenläufigkeit!
47
https://www.flickr.com/photos/stevensnodgrass/5224901405/
Thread-sicher bzw. Koroutinen-sicher
Auch Koroutinen können sich irren ...
48
Race condition
c = c + 1
"The heart of the problem is that no
one really knows how to organize
and maintain large systems that rely on
locking."
49
50
Modelle der Nebenläufigkeit
https://pragprog.com/titles/pb7con/seven-concurrency-models-in-seven-weeks/
● Reine funktionale Programmierung
○ Keine Seiteneffekte ⇒ keine Konflikte
● Kompromiss
○ Kein geteilter änderbarer Zustand
○ (“shared mutable state”)
● Communicating Sequential Processes (CSP)
● Reactive Streams
● Aktoren
Modelle der Nebenläufigkeit
51
Alternativen sind vorhanden
Channels
52
Communicating sequential processes (CSP)
53
● Modell der Interaktion von Prozessen
● C.A.R. Hoare
○ (Quicksort, ”Erfinder” von null)
● Ursprünglich eher theoretisch
● Wiederbelebt von Go und den “Goroutinen”
● Basiert auf Events die über Kanäle geschickt werden
Anwendungsfall
54
● Wie können Erzeuger und Verbraucher synchronisiert werden?
● “Backpressure”, wenn Geschwindigkeit der Producer zu hoch!
Producer-Consumer / Erzeuger-Verbraucher
https://play.kotlinlang.org/hands-on/Introduction%20to%20Coroutines%20and%20Channels/08_Channels
Beispiel für Channel
55
Producer-Consumer mit Koroutinen
Beispiel für Channel
56
Ergebnis
Faire
Verteilung
Nicht lazy
Flows
57
https://www.flickr.com/photos/90371939@N00/4292364310
Flows laufen in Koroutinen
58
59
Aktor-Modell
60
https://www.flickr.com/photos/shinyasuzuki/15451548486
Aktoren und Event-Driven-Programming
Traditioneller Aktor:
● Mailbox
● Verhalten (“behaviour”)
● Zustand (“state”)
Unser Aktor:
● Channel
● Koroutine ...
● … mit Zustand
61
Kommunikation über Nachrichten
Counter als Aktor
● Increment
● Get gibt den Wert zurück
Schritt 1: Definiere die Nachrichten
62
Kotlin’s OO model
Counter als Aktor
Schritt 2: Aktor als Koroutine und SendChannel<Msg>
63
Counter als Aktor
Schritt 3: Test
64
Nebenläufig und
Korrekt!!!
Bibliotheken
65
Einfaches Beispiel mit Ktor
66
DSLs überall
HTML-DSL
Route-DSL
67
https://developer.android.com/images/kotlin/kotlin-hero.svg
Android
Android
Verwendet Koroutinen objekt-orientiert
68
UI-Thread
Koroutinen mit Swing
69
Thread-Confinement mit Dispatchers.Swing
https://kotlin.github.io/kotlinx.coroutines/kotlinx-coroutines-swing/
Koroutinen mit Swing
Die App bleibt responsiv, weil die Koroutine den Swing-Thread nicht blockiert
70
Retrofit
Retrofit erzeugt einen Rest-Client aus Schnittstellen:
REST-Clients auch mit Koroutinen
71
https://square.github.io/retrofit/
https://play.kotlinlang.org/hands-on/Introduction%20to%20Coroutines%20and%20Channels/01_Introduction
Fazit
72
https://www.flickr.com/photos/nnova/3399904953
Wann sollte ich Koroutinen einsetzen?
● Lohnt sich die Umstellung?
● Wartbarkeit des Codes
○ Sequentieller Code ist immer einfacher zu lesen
● Lohnt sich die nebenläufige Ausführung?
○ W/C
○ Threads und Koroutinen haben einen Overhead
● Granularität
○ Lassen sich einzelne Tasks zusammen ausführen?
Es lohnt sich nicht immer ...
73
Fazit
74
Koroutinen
+ Entwurfsmuster
+ Structured Concurrency
+ Datenstrukturen (Channel, Flow)
+ alternative Modelle
= modularer, wartbarer und asynchroner Code
75
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
Jörn Dinkla
jdinkla@thoughtworks.com
© 2021 ThoughtWorks
Anhang
76
https://www.flickr.com/photos/jandavid/149718410
Koroutinen
77
Dokumentation
● https://kotlinlang.org/docs/coroutines-guide.html
Beispiele
● https://github.com/Kotlin/kotlin-coroutines-examples
Roman Elizarov’s Blog
● https://medium.com/@elizarov
Links
Kotlin lernen und ausprobieren
Informationen
● https://kotlinlang.org/
Ausprobieren im Browser
● https://play.kotlinlang.org
Koans
● https://play.kotlinlang.org/koans/overview
78
Links
Literatur
79
Kotlin (* enthält Koroutinen)
! ! !
Literatur
80
Kotlin (* enthält Koroutinen)
! !
!
!
Literatur
81
Ältere Bücher
Literatur
82
Nebenläufigkeit
https://parallelbook.com/
Icons
83
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wayuu_Patterns._Wayuu-mochila-bags.png
https://en.wikipedia.org/wiki/Recycling

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