Bienvenue dans notre exploration approfondie des sections critiques et des conditions de concurrence en multithreading Java, un sujet crucial pour tout développeur Java.
Prérequis
- Connaissances de base en Multithreading (Lisez « Introduction au multithreading en Java »)
- Compétences en création et manipulation de threads en Java (Lisez « Création et manipulation des threads en Java »)
I. Définitions et Contexte
Section critique : C’est une portion de code pouvant être exécutée par plusieurs threads simultanément. Dans un environnement multithread, la gestion adéquate des sections critiques est essentielle pour maintenir l’intégrité des données et assurer la performance de l’application.
Condition de concurrence : Elle survient lorsqu’une section critique n’est pas correctement sécurisée, permettant à plusieurs threads d’accéder et de modifier les données simultanément. Cette situation peut entraîner des résultats imprévisibles et des bugs difficiles à tracer.
II. Exploration des Types de Conditions de Concurrence
a. Lecture-modification-écriture (read-modify-write)
- Exemple Pratique : Imaginons un scénario avec un objet Counter dont la méthode increment() est appelée par plusieurs threads. Si la synchronisation n’est pas gérée correctement, cela peut conduire à une mise à jour incorrecte de la valeur du compteur.
- Solution : Utiliser synchronized ou d’autres mécanismes de verrouillage pour garantir que l’opération est atomique.
L’exemple le plus courant pour illustrer ce modèle est un compteur incrémenté par plusieurs threads.
public class Counter {
int count = 0;
public void increment() {
count++;
}
}
Imaginez si deux threads, T1 et T2, exécutent la méthode « increment() » sur la même instance de la classe «Counter». Il n’y a aucun moyen de savoir quand le système d’exploitation bascule entre les deux threads (rappelez-vous de l’histoire du CPU time-slicingde l’article 1). Le code de la méthode « increment() » n’est pas exécuté comme une seule instruction atomique par la machine virtuelle Java. Il est plutôt exécuté comme un ensemble d’instructions plus petites (lire la valeur du compteur, incrémenter, écrire en mémoire).
Les deux threads voulaient chacun incrémenter le compteur. Ainsi, la valeur aurait dû être 2après l’exécution complète des deux threads. Cependant, comme l’exécution des deux threads est entrelacée, le résultat pourrait finir par être différent. Voici un des scénarios qui pourrait se produire :
| 1 | T1 | Lit la valeur du compteur : 0 |
| 2 | T2 | Lit la valeur du compteur : 0 |
| 3 | T2 | Incrémente le compteur à 1 |
| 4 | T2 | Ecrit le résultat dans la mémoire : 1 |
| 5 | T1 | Incrémente le compteur à 1 |
| 6 | T1 | Ecrit le résultat dans la mémoire : 1 |
Dans l’exemple de séquence d’exécution répertorié ci-dessus, les deux threads lisent la valeur 0 dans la mémoire. Ensuite, ils incrémentent le compteur réécrivent le résultat dans la mémoire. Au lieu de 2, la valeur laissée dans « count » sera la valeur écrite par le dernier thread à écrire sa valeur (T1 à 1)
Je vous invite à essayer l’exemple sur vos machines et vous verrez que rien ne garantit un résultat de « 2 » à la fin d’exécution des deux threads.
b. Vérification-action (check-then-act)
- Cas d’usage du Singleton :
Le modèle check-then-act signifie que deux threads ou plus vérifient une condition donnéepuis agissent en fonction de cette information. Si deux threads vérifient la condition en même temps, puis qu’un thread continue et modifie la condition, cela peut conduire l’autre thread à agir de manière incorrecte sur cette condition.
Pour illustrer comment une section critique peut conduire à des conditions de concurrence(check-then-act) on va se baser sur un patron de conception très connu qui est le s « singleton »
public final class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
Si deux threads ou plus appellent la méthode « getInstance() » alors deux threads ou plus peuvent exécuter l’instruction if en même temps et créer ainsi deux instances de « Singleton »ce qui est contradictoire avec le principe du pattern.
III. Stratégies d’Évitement des Conditions de Concurrence
- Synchronisation des Sections Critiques : Utilisez des blocs synchronized ou ReentrantLock pour contrôler l’accès aux sections critiques.
- Utilisation de Variables Atomiques : Java fournit des classes comme AtomicInteger, qui permettent de réaliser des opérations atomiques sans verrouillage explicite.
- Conception de Threads Sans État : Dans certains cas, concevoir des threads sans état ou minimiser l’accès partagé peut réduire le besoin de synchronisation.
- Utilisation de Collections Concurrentes : Java offre des collections thread-safe comme ConcurrentHashMap, qui peuvent être utilisées pour gérer l’accès concurrent aux données.
IV. Bonnes Pratiques et Conseils Avancés
- Documentation Rigoureuse : Documentez clairement les sections critiques et la logique de synchronisation pour faciliter la maintenance et la compréhension du code.
- Tests Rigoureux : Effectuez des tests de charge et des tests unitaires pour détecter les problèmes de concurrence et valider la synchronisation.
- Utilisation de Profilers et Outils d’Analyse : Des outils comme VisualVM ou JProfiler peuvent aider à identifier les problèmes de performance et les deadlocks liés aux threads.
- Prévenir les Deadlocks : Soyez vigilant sur l’ordre d’acquisition des verrous et évitez les interblocages (deadlocks) qui peuvent survenir dans des systèmes complexes.
- Patterns de Conception : Familiarisez-vous avec des patterns comme le producteur-consommateur ou les workers threads, qui peuvent aider à structurer des applications multithread robustes et efficaces.
V. Conclusion
La gestion adéquate des sections critiques et la prévention des conditions de concurrence sont essentielles pour développer des applications Java fiables et performantes en environnement multithread. Dans notre prochain article, nous aborderons des techniques avancées telles que les méthodes et les blocs synchrones pour résoudre ces problématiques.
