Rinnakkaisohjelmointi JVM-ympäristössä

Abstract

Työn tarkoituksena oli selvittää, miten ohjelmoija voi rinnakkaisohjelmoinnin avulla hyödyntää moniydinprosessorien tehoa. Rinnakkaisohjelmoinnilla tarkoitetaan sellaisten sovellusten ohjelmointia, joissa useita säikeitä suorittaa tehtäviä rinnakkain. Työssä keskityttiin rinnakkaisohjelmoinnin haasteisiin, suunnitteluun ja toteutukseen. Työn taustalla oli idea koostaa rinnakkaisohjelmoinnista helposti ymmärrettävä ja havainnollistava johdatus, jota voisi käyttää esimerkiksi kurssimateriaalina. Työ rajattiin käsittelemään Java virtuaalikonetta (JVM) hyödyntäviä ohjelmointikieliä.

Työ toteutettiin analysoimalla useita sähköisiä ja kirjallisia lähteitä. Työssä käytettiin muutamia pieniä esimerkkisovelluksia, joiden tarkoitus oli havainnollistaa paremmin käsiteltäviä aiheita. Lisäksi työssä on yksi laajempi sovellusvertailu, jossa tutkittiin perinteisen ja rinnakkaisen sovelluksen eroja. Esimerkkisovellusten toteutuksessa käytettiin Java-ohjelmointikieltä.

Työn tulokset osoittivat, että JVM-ympäristössä suoritettavaan rinnakkaisohjelmointiin liittyy useita haasteita, kuten muistin eheyden ylläpitäminen ja säikeiden tehokas koordinointi. Näiden haasteiden taustalla olevien syiden ymmärtäminen vaatii ohjelmoijalta matalan tason komponenttien, kuten muistin, toimintaperiaatteiden ymmärtämistä. Työssä tehdystä sovellusvertailusta kävi ilmi, että rinnakkaisohjelmoinnin avulla sovellusten suorituskykyä voidaan parantaa, mutta vain lähdekoodin monimutkaistumisen kustannuksella.

Työn johtopäätökset osoittivat, että koska rinnakkaisohjelmointiin liittyy niin paljon haasteita, rinnakkaistusta suunniteltaessa pitää osata arvioida, onko suorituskyvyn parantuminen lähdekoodin monimutkaistumisen arvoista. Hyvien työkalujen puute on syy lähdekoodin monimutkaistumiselle ja myös sille, että ohjelmoijan pitää ymmärtää matalan tason logiikkaa. Funktionaalinen ohjelmointi on tällä hetkellä hyvä ratkaisu, koska muuttumattomuus hävittää useimmat ongelmat.

The purpose of this thesis was to find out how a programmer can harness the power of multi-core processors by parallel programming. Parallel programming means creating a program where multiple threads process data simultaneously. The thesis concentrated on the parallel programming’s challenges, design and implementation. The idea behind the thesis was to create a simple and visualized introduction to parallel programming, which could be used, for example, as course learning material. The thesis was limited to only cover the programming languages, which use the Java Virtual Machine (JVM).

The thesis was conducted by analysing multiple electronic and literary sources. Some small example programs were written to demonstrate the topics discussed. Moreover, the thesis has one larger program comparison, which deals with the differences between sequential and parallel programs. The example programs were written in Java.

The thesis indicated that parallel programming includes multiple challenges, like maintaining memory consistency and efficient thread coordination. Understanding the causes behind these challenges requires the programmer to understand, how low-level components, like the memory, work. The program comparison, conducted in the thesis, indicated that the program performance can be boosted by parallel programming, but only at the expense of increasing the code complexity.

The thesis concluded that due to parallel programming being so challenging, it’s imperative to determine whether the performance boost outweighs the increasing complexity in the code or not. The lack of viable tools is the source of increasing complexity and the reason why the programmer is forced to understand the low-level logic. Functional programming is currently a good solution as it eliminates most of the challenges by immutability.