Removing Unnecessary Synchronization in Java Sérgio Soares Gente.

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1 Removing Unnecessary Synchronization in Java Sérgio Soares Gente

2 Sincronização zMétodos/blocos onde apenas um thread executa por vez ybaseado em monitores zGarantir execuções seguras

3 Motivação zSincronizações desnecessárias yobjetos acessíveis apenas por um thread yoverhead 26-60% do tempo de execução y“remover” sincronização

4 Possíveis soluções zIdentificar objetos acessíveis apenas por um thread yverificação manual tediosa e erro-prone ymudanças futuras do programa forçam uma nova análise zDefinir versões não sincronizadas do referido objeto yduplicação de código

5 zRemover em tempo de compilação a sincronização quando a otimização for possível zPrograma de otimização (compilador) yidentifica situações passíveis da remoção de sincronização yrescreve parte do programa removendo as sincronizações desnecessárias A solução proposta

6 Identificando situações de otimização zExcluir os objetos que não podem ser thread-local yobjetos armazenados na heap xs-escaping (stack-escaping) yobjetos acessíveis apenas por variáveis locais na pilha de apenas um thread xs-local

7 s-escaping e s-local algoritmo 1 A CB Pilha do Thread 1 Pilha do Thread 2 A é s-local B é s-escape C é s-escape Heap

8 A CB Pilha do Thread 1 Pilha do Thread 2 A é s-local B é s-local C é s-escape Heap s-escaping e s-local algoritmo 2

9 Algoritmo 2 zs-escaping yobjetos armazenados na heap ou acessíveis por mais de uma pilha (thread) zs-local yobjetos acessíveis apenas por uma única pilha (thread) yobjetos acessíveis apenas por objetos s- local do heap

10 Problema zIdentificar objetos acessíveis apenas por objetos s-local do heap pode levar a algoritmos complexos ytransitividade de acessibilidade ytipos de dados recursivos zSimplificação: objetos acessíveis por mais de um nível de referência de um objeto s- local são s-escaping

11 f-escaping zObjetos referenciados por atributos de objetos s-escaping

12 A análise zEstágio 1 ydetectar objetos s-escaping zEstágio 2 ydetectar objetos f-escaping

13 Restrições da linguagem Um subconjunto de comandos/expressões x = y atribuição a variável x.f = y atribuição a atributo de objeto y = x.f acesso a atributo C.f = y atribuição a atributo de classe y = C.f acesso a atributo de classe x = new T criação de objeto foo(a 1,..., a n ) chamada de método usados para implementar construções de Java como exceções, arrays, retorno de métodos

14 Retorno de métodos o = hashtable.put(x, y) put(hashtable, x, y, o)

15 Detectando objetos s-escaping zDefine conjuntos  s-escape( x )  é vazio inicialmente (representa falso) e durante a análise pode conter o booleano true {T}, indicando que a variável é s-escaping  AS( x )  conjunto das variáveis de um métodos que referenciam o objeto referenciado por x

16  Inicia a análise pelo método main e vai analisando os métodos conforme aparecem as chamadas aos mesmos zAplicar as regras para cada tipo de comando yatribuição yacesso a atributos ychamada de métodos Detectando objetos s-escaping

17 zAtribuição yunir (merge) os Alias Set e a propriedade s- escape das variáveis x = y AS( x )  AS( y ) s-escape( x )  s-escape( y ) Detectando objetos s-escaping Análise flow-insensitive AS( x )  1 AS( y )

18 zAcesso a atributos (incluindo estáticos) ya variável passa a ser s-escaping pois indica que o heap tem uma referência para a mesma ou que a mesma tem uma referência para o heap y = x.f ou x.f = y s-escape( y )  {T} Detectando objetos s-escaping

19 zChamada de métodos ypropaga as restrições impostas aos parâmetros formais dentro do método para os parâmetros reais (depois de analisar o método) foo(a 0,..., a n )  i  [0...n] s-escape( a i )  s-escape( p i )  i tal que connected( p i, return foo ) AS( a i )  1 AS( a n ) Detectando objetos s-escaping a n é o parâmetro real que recebe o retorno do método se houver retorno

20  AS( x.f )  conjunto de variáveis que referenciam o objeto em x.f  f-escape( x )  conjunto vazio ou {T} indicando, quando true, que o objeto referenciado por x também é referenciado pelo atributo de um objeto s-escaping Detectando objetos f-escaping

21 zAtribuição yunir (merge) os Alias Set e a propriedade f- escape das variáveis e dos seus atributos x = y AS( x )  AS( y ) f-escape( x )  f-escape( y ) se s-escape( x )  s-escape( y ) =   f  fields(x, y) AS( x.f )  2 AS( y.f ) Detectando objetos f-escaping AS( x )  2 AS( y ) *

22 zAcesso a atributos x.f = y ou y = x.f se s-escape( x ) =  AS( x.f )  2 AS( y ) se não f-escape( y )  {T} Detectando objetos f-escaping FieldAccess( x.f, y ) O que acontecerá com os Alias Set dos atributos de x.f e de y quando aplicar  2 na recursão? O mesmo código já passou pela fase 1

23 zAcesso a atributos estáticos C.f = y ou y = C.f f-escape( y )  {T} Detectando objetos f-escaping

24 zChamada de métodos Regra 1 - propagar a propriedade f-escape dos parâmetros formais e seus atributos para os parâmetros reais e seus atributos foo(a 0,..., a n )  i  [0...n] f-escape( a i )  f-escape( p i ) se s-escape( a i ) =   i fields( p i ) f-escape( a i.f )  f-escape( p i.f ) Detectando objetos f-escaping

25 zChamada de métodos Regra 2 - propagar as restrições entre parâmetros retornados e variáveis que recebem o retorno foo(a 0,..., a n )  i tal que connected( p i, return foo ) AS( a i )  2 AS( a n ) Detectando objetos f-escaping

26 zChamada de métodos Regra 3 - propagar as restrições entre parâmetros e atributos de outros parâmetros onde haja atribuição entre eles (trata-se como acesso a atributo) foo(a 0,..., a n )  f,p i,p j tal que connected( p i.f, p j ) FieldAccess ( a i.f, a j ) Detectando objetos f-escaping

27 zChamada de métodos Regra 4 - propagar propriedades entre atributos de parâmetros que referenciam um mesmo objeto foo(a 0,..., a n )  f,h,p i,p j tal que connected( p i.f, p j.h ) se s-escape( a i )  s-escape( a j ) =  AS( a i.f )  2 AS( a n.h ) se não se s-escape( a i ) =  f-escape( a i.f )  {T}

28 class Handle { private Object ref = null; synchronized void attach(Object o) { this.ref = o; } Exemplo

29 class Sample { static Handle globalHandle = null; static m() { Handle h1 = createHandle(); Handle h2 = createHandle(); Object o1 = new Object(); Object o2 = new Object(); h1.attach(o1); h2.attach(o2); globalHandle = h2; } static Handle createHandle() { return new Handle(); }

30 Exemplo  Vamos analisar o método m da classe Sample

31 h1 h2 o1 o2 Fase 1 - identificando s-escaping return this o s s s s Alias Sets do método m Alias Set do método createHandle Alias Sets do método attach

32 Fase 2 - identificando f-escaping h1 h2 o1 o2 return this o s,f s s ref Alias Sets do método m Alias Set do método createHandle Alias Sets do método attach

33 Conclusão zOtimizar o uso dos objetos que não são f- escape e que possuem métodos sincronizados yotimizar h1

34 Otimização  Definir uma nova subclasse (clone) da classe do objeto a ser otimizado sem sincronizar os métodos como na classe original ( Handle ) zSubstituir no método analisado a instanciação do objeto referenciado por h1 pela nova classe (clone) ypode ser necessário duplicar factory methods

35 Na classe clone zDefinir um construtor que invoca o construtor da superclasse (classe a ser otimizada)  Copiar os métodos da superclasse removendo o qualificador synchronized  Remover qualificadores final  Alterar os qualificadores private para protected

36 A classe clone class Handle$Unsync extends Handle{ public Handle$Unsync() { super(); } public void attach(Object o) { this.ref = o; }

37 A classe e o método otimizados class Sample { //... static m() { Handle h1 = createHandle$Clone1(); Handle h2 = createHandle(); //... } static Handle createHandle$Clone1() { return new Handle$Unsync(); } //... }

38 Bibliografia zRemoving Unnecessary Synchronization in Java. Jeff Bogda and Urs Holzle. Departament of Computer Science. University of California