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description=Was Threads sind, warum man sie in Java verwendet und welche Kompromisse die nebenläufige Programmierung mit sich bringt.;

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klasse dateien erstellen dateien lesen dateien schreiben dateien löschen byte streams character streams buffered streams data streams printwriter scanner printstream serialisierung deserialisierung nio überblick path klasse files klasse dateibaum durchlaufen date and time datum zeit intro localdate localtime localdatetime zoneddatetime instant duration period datumsformatierung datum parsing temporal adjusters legacy date calendar multithreading and concurrency multithreading intro thread klasse runnable thread lebenszyklus thread methoden thread priorität synchronisierung synchronized blöcke inter thread komm deadlock volatile atomare variablen locks reentrantlock readwritelock thread pools executor framework callable future completablefuture fork join concurrent collections virtual threads annotations annotationen einführung eingebaute annotationen meta annotationen benutzerdefinierte annotationen annotation processing reflection reflection einführung class objekte felder untersuchen methoden aufrufen konstruktoren aufrufen annotationen lesen dynamic proxies java platform module system module einführung moduldeklaration modultypen modul services module migration networking networking einführung url klasse urlconnection httpurlconnection httpclient sockets serversocket datagramsocket inetaddress jdbc and databases jdbc einführung jdbc treiber jdbc verbindung jdbc statement preparedstatement callablestatement resultset jdbc transaktionen batch verarbeitung jdbc metadata json and xml json einführung jackson gson xml einführung dom parser sax parser jaxb modern java features var schlüsselwort text blocks pattern matching switch modern records vertieft sealed types tief virtual threads vertieft structured concurrency foreign function api jvm and memory management jvm architektur memory model stack vs heap garbage collection gc algorithmen jit kompilierung class loading referenztypen regular expressions regex einführung pattern matcher regex syntax gruppen captures quantifizierer zeichenklassen regex flags testing testing einführung junit einführung junit annotationen junit assertions junit lebenszyklus parametrisierte tests mockito build tools maven einführung maven pom xml maven abhängigkeiten maven lebenszyklus gradle einführung gradle build skript best practices coding konventionen namenskonventionen clean code solid prinzipien design patterns einführung unveränderlichkeit performance tipps sicherheitspraktiken java how to zwei zahlen addieren wörter zählen string umkehren hashmap iterieren datei zeilenweise lesen string zu int int zu string array länge arraylist sortieren substring prüfen array ausgeben duplikate entfernen strings vergleichen liste in array zahlen formatieren java multithreading einführung was threads sind warum man sie in java verwendet und welche kompromisse die nebenläufige programmierung mit sich bringt jedes java programm das sie bisher geschrieben haben hatte einen einzigen ausführungs thread einen cursor der schrittweise durch den bytecode geht eine variable auf dem stack einen methodenaufruf nach dem anderen das ist der main thread den die jvm für sie startet multithreading bedeutet dass die jvm mehrere solcher cursor gleichzeitig ausführt und dabei denselben heap teilt zwei threads können im selben moment in zwei verschiedenen methoden auf zwei verschiedenen objekten sein und das ist sowohl die stärke als auch die gefahr moderne cpus haben viele kerne ein single thread programm lässt alle bis auf einen davon ungenutzt ein webserver der nur eine anfrage nach der anderen bearbeitet kann eine 16 kern maschine nicht besser nutzen als eine 1 kern maschine der einzige grund warum multithreading existiert ist diese kerne zum einsatz zu bringen und das programm reaktionsfähig zu halten wenn ein teil davon wartet auf die festplatte das netzwerk den benutzer was ein thread eigentlich ist ein java thread besteht aus zwei miteinander verbundenen teilen einem os level thread den das betriebssystem auf einen cpu kern plant er besitzt einen programmzähler einen registersatz und einen nativen stack das betriebssystem teilt ihn per time slicing mit allen anderen lauffähigen threads auf der maschine auf einem java objekt vom typ java lang thread es trägt einen namen eine priorität ein daemon flag und am wichtigsten einen verweis auf das runnable dessen run methode es ausführen wird wenn sie thread start aufrufen fordert die jvm das betriebssystem auf einen neuen nativen thread zu erstellen der beim ersten schedule ihre run methode aufruft der ursprüngliche thread läuft sofort weiter die beiden laufen nun nebenläufig public static void main string args system out println main hello from thread currentthread getname thread t new thread system out println worker hello from thread currentthread getname worker 1 t start worker runs concurrently with main system out println main continuing kopieren die verschachtelung der ausgabe ist nicht deterministisch das betriebssystem entscheidet welcher thread zuerst läuft und diese entscheidung ändert sich zwischen den ausführungen dieser nichtdeterminismus ist die zentrale tatsache der nebenläufigen programmierung warum man threads verwenden würde zwei verschiedene motivationen die oft vermischt werden durchsatz sie haben cpu gebundene arbeit bildgröße ändern parsen komprimierung ein thread nutzt einen kern acht threads nutzen acht kerne und sind etwa achtmal schneller fertig das ist parallelismus reaktionsfähigkeit sie haben einen thread der sonst blockieren würde beim warten auf eine netzwerkantwort eine datenbankrückmeldung einen benutzerklick die ausführung dieser arbeit in einem separaten thread ermöglicht es dem rest des programms nützliche dinge zu tun während es wartet das ist nebenläufigkeit die meisten echten programme benötigen beides ein webserver verwendet viele threads damit eine langsame anfrage die anderen nicht blockiert nebenläufigkeit und damit viele schnelle anfragen parallel über mehrere kerne hinweg verarbeitet werden können parallelismus warum threads schwierig sind threads teilen speicher dasselbe hashmap arraylist oder int counter kann von zwei threads im selben moment berührt werden und die jvm die cpu caches und der compiler dürfen operationen auf eine weise neu anordnen die sie überrascht die drei probleme auf die multithreading code immer wieder trifft race conditions zwei threads lesen modifizieren und schreiben dieselbe variable eines der updates geht verloren counter ist nicht atomar es besteht aus counter lesen eins addieren counter schreiben zwei threads können denselben wert lesen und beide value 1 zurückschreiben und ein zählschritt geht verloren die lösung ist synchronisierung das erzwingen dass lesen modifizieren schreiben als ein unteilbarer schritt stattfindet sichtbarkeit ein thread schreibt ein feld ein anderer thread liest es und sieht den alten wert weil jeder thread seinen eigenen cpu cache hat und es keine regel gibt die das weitergeben des schreibvorgangs ohne eine memory barrier erzwingt dafür gibt es volatile synchronized und java util concurrent deadlock thread a hält lock x und wartet auf lock y thread b hält lock y und wartet auf lock x keiner kommt jemals weiter das programm hängt ohne exception und ohne log eintrag das deadlock kapitel zeigt wie man ihn erkennt und vermeidet der rest dieses buchteils handelt größtenteils davon diese drei fehler zu verhindern und gleichzeitig den durchsatzgewinn beizubehalten das vokabular dem sie begegnen werden einige begriffe die überall auftauchen und die die restlichen kapitel voraussetzen begriff bedeutung concurrency mehrere aufgaben machen im selben zeitraum fortschritte sie müssen nicht unbedingt im selben moment ausgeführt werden parallelism mehrere aufgaben werden buchstäblich im selben moment auf verschiedenen kernen ausgeführt eine teilmenge von concurrency mutual exclusion nur ein thread darf sich zu einem zeitpunkt in einem kritischen abschnitt befinden locks und synchronized stellen das sicher memory model die regeln die besagen wann ein thread garantiert den schreibvorgang eines anderen threads sieht durch den jls definiert durch jsr 133 verfeinert atomic eine operation die nicht halb ausgeführt beobachtet werden kann entweder ist sie passiert oder nicht kein zwischenzustand für andere threads sichtbar thread safe eine klasse deren öffentliche api von mehreren threads ohne externe synchronisierung aufgerufen werden kann und dabei korrekt funktioniert daemon threads und die jvm exit regel eine sache die anfänger überrascht die jvm beendet sich wenn der letzte non daemon thread fertig ist der main thread ist kein daemon threads die sie mit new thread erstellen sind standardmäßig keine daemons das erzeugen eines worker threads hält die jvm am leben bis dieser worker zurückkehrt sie können einen thread mit t setdaemon true vor start als daemon markieren daemon threads halten die jvm nicht am leben wenn alle non daemon threads fertig sind beendet die jvm sie abrupt verwenden sie daemons für hintergrundarbeit die mit dem programm sterben soll ein timer der abfragt ein metrics flusher niemals für arbeit deren abschluss sie tatsächlich benötigen dateischreibvorgänge transaktions commits threads vs virtuelle threads java 21 führte virtuelle threads ein die auf api ebene identisch aussehen aber von der jvm auf einem kleinen pool von os threads geplant werden das mentale modell in diesem kapitel ein java thread entspricht einem os thread beschreibt platform threads die sie mit dem einfachen new thread konstruktor erhalten platform threads sind teuer jeder benötigt etwa 1 mb nativen stack und das betriebssystem begrenzt wie viele ein prozess haben kann weshalb man sie mit bedacht erstellt virtuelle threads sind günstig millionen sind in ordnung und sie machen blockierendes i o wieder unproblematisch wir behandeln sie in java virtual threads bis dahin bedeutet thread platform thread ein ausgearbeitetes beispiel seriell vs parallel das folgende programm summiert einen teil cpu arbeit auf zwei arten einmal sequenziell im main thread einmal aufgeteilt auf vier threads und gibt die wanduhrzeit für jede variante aus die zahlen variieren je nach maschine aber das muster ist überall gleich mehr threads weniger wanduhrzeit bis die kerne ausgehen java editable runs on the server run public class introdemo static long heavy long start long end long s 0 for long i start i end i s long bitcount i 2654435761l any cpu bound nonsense return s public static void main string args throws interruptedexception system out println main thread thread currentthread getname system out println cores runtime getruntime availableprocessors long n 40_000_000l 1 serial everything on main long t1 system nanotime long serialsum heavy 0 n long serialms system nanotime t1 1_000_000 system out printf nserial sum d d ms n serialsum serialms 2 parallel 4 worker threads int workers 4 long chunk n workers thread ts new thread workers long partials new long workers each thread writes its own slot long t2 system nanotime for int w 0 w workers w final int idx w final long lo w chunk final long hi w workers 1 n lo chunk ts w new thread partials idx heavy lo hi worker w ts w start for thread t ts t join wait for all workers long parallelsum 0 for long p partials parallelsum p long parallelms system nanotime t2 1_000_000 system out printf parallel sum d d ms about 1fx faster n parallelsum parallelms math max 1 0 double serialms math max 1 parallelms system out println sums equal serialsum parallelsum 3 the thread we never joined thread daemon new thread try thread sleep 60_000 catch interruptedexception e system out println daemon woke up you won t see this daemon daemon setdaemon true daemon start system out println nmain is done jvm exits because the only running thread is a daemon was man aus dem lauf mitnehmen kann der serielle lauf verwendete einen kern der parallele lauf verwendete vier der speedup ist sublinear näher an 3x als 4x weil das betriebssystem der gc und andere jvm thr...