Model współbieżności w Javie

1. Model współbieżności w Javie autor: Grzegorz Szuba

2. Współbieżność - a co to takiego? • Współbieżność to jednoczesne wykonywanie współpracujących i komunikujących się ze sobą wątków • W komputerach jednoprocesorowych współbieżność jest emulowana, w danym momencie wykonywany jest tylko jeden wątek

3. Różnice między wątkiem a procesem • Każdy wątek posiada własny wirtualny procesor • Wątki korzystają z tego samego egzemplarza kodu wykonywalnego • Wątki korzystają z tych samych danych

4. Jak stworzyć nowy wątek? • Dziedzicząc po klasie Thread • Implementując interfejs Runnable

5. Dziedziczenie po klasie Thread • public class MyThread extends Thread { • public void run() { System.out.println(”Hello world”); } • Thread nowy = new MyThread(); nowy.start();

6. Dziedziczenie po klasie Thread • Należy pamiętać, że w Javie można dziedziczyć tylko po jednej klasie • Jeśli potrzebujemy dziedziczyć po innej klasie, możemy zaimplementować interfejs Runnable

7. Implementacja interfejsu Runnable • public class myLabel extends Label implements Runnable { • public void run(){ setText(”Hello world”); } • myLabel nowy = new MyLabel(); Thread nowywatek = new Thread(nowy); nowywatek.start();

8. Stany wątków • nowy • uruchamialny • zablokowany • uśmiercony

9. Stany wątków - nowy • Obiekt wątku już istnieje, ale jeszcze się nie wykonuje • Aby rozpocząć wykonywanie, należy wywołać funkcję start() public void start() throws IllegalThreadStateException • wyjątek zostanie rzucony, gdy na rzecz danego obiektu wywoływano już metodę start()

10. Stany wątków - uruchamialny • Wątek jest uruchomiony – wywołano już na jego rzecz metodę start() i jeśli właśnie nie działa, to tylko dlatego, że oczekuje na przydział zasobów

11. Stany wątków - zablokowany • Do sterowania wykonywaniem wątków możemy użyć następujących instrukcji: • sleep() • wait() • notify(), notifyAll() • join() • yield()

12. Metoda sleep() • public static void sleep(long millis) throws InterruptedException • public static void sleep(long millis,int nans) throws InterruptedException • Nie jest zwalniana blokada obiektu • Wyjątek zostanie rzucony, gdy inny wątek wywoła metodę interrupt() na rzecz tego wątku

13. Metoda interrupt() • public void interrupt() • Przerywa zawieszenie wątku metodami sleep, wait i join na rzecz którego jest wywołana • Przerwany wątek otrzyma wyjątek InterruptedException

14. Metoda join() • Wywołując metodę join() innego wątku, zawieszamy wątek aż do zakończenia wykonania wątku, którego metodę wywołaliśmy • Jeśli podamy argument czasowy, wątek będzie czekał tylko przez określony czas

15. Metoda join() • public final void join() throws InterruptedException • public final void join(long millis) throws InterruptedException • public final void join(long millis, int nanos) throws InterruptedException • Wyjątek zostanie rzucony, gdy inny wątek wywoła metodę interrupt() na rzecz tego wątku

16. Metoda yield() • public static void yield() • Przerywa wykonanie wątku aby umożliwić innym wątkom wykonywanie się • Dotyczy to tylko wątków o takim samym lub większym priorytecie • Wątek od razu znajduje się w stanie „uruchamialny” – w szczególności przy braku innych wątków może się natychmiast rozpocząć wykonywać

17. Metoda isAlive() • public final boolean isAlive() • Zwraca true jeśli wątek wykonuje swoje działanie, czyli czy wywołano już metodę start() a wątek jeszcze się nie zakończył, w przeciwnym przypadku zwraca false

18. Stany wątków - uśmiercony • Zakończenie wykonania wątku następuje, gdy: • metoda run() zakończy swoje działanie – jest to preferowana metoda • wywołamy metodę destroy() (ale : nie zwolnimy blokad obiektów) • wywołamy metodę stop() (niezalecana, ze względu na możliwość rzucenia nieobsługiwalnego wyjątku

19. Priorytety • Jest to mechanizm wskazywania, który wątek jest ważniejszy i powinien być częściej wykonywany • Nie mamy pewności co do kolejności wykonywania wątków • Problemy z odwzorowaniem priorytetów w różnych systemach operacyjnych

20. Priorytety • public final void setPriority(int newPriority) - ustawia nowy priorytet dla wątku • public final int getPriority() - zwraca aktualną wartość priorytetu

21. Priorytety • Stałe służące do określania wartości priorytetu : • public static final int MIN_PRIORITY - minimalna wartość priorytetu • public static final int NORM_PRIORITY - domyślna wartość priorytetu • public static final int MAX_PRIORITY - maksymalna wartość priorytetu

22. import java.lang.Thread; publicclass NumberThread extends Thread { int myNumber; public NumberThread( int theNumber ) { myNumber = theNumber; } publicvoid run() { System.out.println("I'm "+ myNumber + " in priority " + getPriority()); for(int i=0; i<25; i++) System.out.println( "My Number Is " + myNumber + " in round : " + i); } } publicclass ThreadDemo { publicstaticvoid main( String [] args ) { NumberThread t1 = new NumberThread(1); NumberThread t2 = new NumberThread(2); t2.setPriority(2); t2.start(); t1.setPriority(1); t1.start(); } }

23. I'm 2 in priority 2 My Number Is 2 in round : 0 My Number Is 2 in round : 1 My Number Is 2 in round : 2 I'm 1 in priority 1 My Number Is 1 in round : 0 My Number Is 1 in round : 1 My Number Is 1 in round : 2 My Number Is 1 in round : 3 My Number Is 2 in round : 3 My Number Is 1 in round : 4 My Number Is 2 in round : 4 My Number Is 2 in round : 5 My Number Is 2 in round : 6 My Number Is 2 in round : 7 My Number Is 2 in round : 8 My Number Is 2 in round : 9 My Number Is 2 in round : 10 My Number Is 2 in round : 11 My Number Is 2 in round : 12 My Number Is 2 in round : 13 My Number Is 2 in round : 14 My Number Is 2 in round : 15 My Number Is 1 in round : 5 My Number Is 1 in round : 6 My Number Is 1 in round : 7 My Number Is 1 in round : 8 My Number Is 1 in round : 9 My Number Is 1 in round : 10 My Number Is 1 in round : 11 My Number Is 1 in round : 12 My Number Is 2 in round : 16 My Number Is 2 in round : 17 My Number Is 2 in round : 18 My Number Is 2 in round : 19 My Number Is 2 in round : 20 My Number Is 1 in round : 13 My Number Is 1 in round : 14 My Number Is 1 in round : 15 My Number Is 2 in round : 21 My Number Is 2 in round : 22 My Number Is 2 in round : 23 My Number Is 2 in round : 24 My Number Is 1 in round : 16 My Number Is 1 in round : 17 My Number Is 1 in round : 18 My Number Is 1 in round : 19 My Number Is 1 in round : 20 My Number Is 1 in round : 21 My Number Is 1 in round : 22 My Number Is 1 in round : 23 My Number Is 1 in round : 24

24. Wątki straszą po nocach, czyli Demony • Demony to specjalne rodzaje wątków • Ich celem jest działanie w ”tle” • Wirtualna maszyna kończy pracę, gdy zakończą się wszystkie wątki nie będące demonami

25. Demony • public final void setDaemon(boolean on) - aby wątek został demonem, należy wywołać tą metodę z parametrem ”true” - należy to zrobić przed wywołaniem na rzecz tego wątku metody start() • public final boolean isDaemon() - sprawdza, czy dany wątek jest demonem

26. Synchronizacja wątków • Aby lepiej zrozumieć czym jest synchronizacja, rozważmy program, którego zadaniem jest narysować linię wzdłuż przekątnej okna apletu

27. import java.applet.*; import java.awt.*; publicclass Master extends Applet implements Runnable{ Thread thread1, thread2; int [] tablicax; int [] tablicay; Graphics gdc; int wskaznik; publicvoid init() { gdc = getGraphics(); thread1 = new Thread(this); thread2 = new Thread(this); thread1.start(); thread2.start(); tablicax = newint [100]; tablicay = newint [100]; } publicvoid paint(Graphics gdc){ for(int i=0;i<=wskaznik;i++) gdc.fillRect(tablicax[i], tablicay[i],1,1); } publicvoid run(){ for(int i=0;i<49;i++){ tablicax[wskaznik+1] = tablicax[wskaznik]+1; System.out.print( tablicax[wskaznik]+ " "); wskaznik++; System.out.print("-"); tablicay[wskaznik] = tablicay[wskaznik-1]+1; System.out.println(" " + tablicay[wskaznik-1] + " "+ wskaznik); repaint(); } } }

28. A oto wynik działania naszego programu :

29. Synchronizacja • Aby uniknąć powyższej sytuacji, należy ograniczyć liczbę wątków mogących w danym momencie wykonywać pewien fragment kodu do jednego • W tym celu należy zsynchronizować krytyczny fragment kodu

30. Synchronizacja metody • public synchronized void Counter() { ... } • na czas wykonania metody synchronizowanej blokowana jest możliwość wywołania jakiejkolwiek innej metody synchronizowanej danego obiektu

31. Synchronizacja bloku instrukcji • synchronized (obiekt) blokInstrukcji - na czas wykonywania blokuInstukcji dostęp do obiektu będzie zablokowany - jeśli w momencie rozpoczęcia bloku instrukcji wyrażenie będzie już zablokowane, wątek się zawiesi w oczekiwaniu na odblokowanie

32. Synchronizacja Wywołanie : • wskaznikNaObiekt.metodaSynchr(arg, ...); jest równoważne wywołaniu: • synchronized(wskaznikNaObiekt) { wskaznikNaObiekt.metodaNieSyn(arg, ...); }

33. Zwalnianie blokady obiektu • Blokada jest zawsze zwalniana na końcu synchronizowanego bloku, nawet gdyby w wyniku wyjątku, instrukcji break lub return sterowanie wątku zostało przeniesione poza synchronizowany blok • Ważne jest aby w celu zawieszenia pracy wątku używać metody wait() gdyż na czas zawieszenia zwalnia ona blokadę obiektu

34. Metoda wait() • public final void wait() throws InterruptedException • public final void wait(long timeout) throws InterruptedException • public final void wait(long timeout, int nanos) throws InterruptedException • Powoduje wstrzymanie pracy danego wątku aż zostanie wywołana metoda notify() lub notifyAll() lub upłynie czas podany jako argument

35. Metoda wait() • W przeciwieństwie do metody sleep() jest zwalniana blokada obiektu • Wyjątek zostanie rzucony, gdy inny wątek wywoła metodę interrupt() na rzecz tego wątku

36. Metody notify() i notifyAll() • public final void notify() • public final void notifyAll() • Metoda notify() powoduje obudzenie jednego, natomiast metoda notifyAll() wszystkich wątków zatrzymanych metodą wait()

37. Metody wait(), notify(), notifyAll() • Metody wait(), notify, notifyAll() muszą znajdować się wewnątrz synchronizowanego bloku lub metody. • Jeśli zagnieździmy synchronizowane bloki lub metody, musimy pamiętać, że metody notify() i notifyAll() zwalniają blokadę tylko jednego obiektu, najbardziej wewnętrznego

38. Uups, coś nie wyszło, czyli Zakleszczenia • Gdy piszemy program używając mechanizmów synchronizacji, możemy doprowadzić do sytuacji, gdy w zestawie współdziałających wątków każdy wątek jest zawieszony lub dobrowolnie wstrzymany i nie istnieje możliwość odwieszenia ani uwolnienia jakiegokolwiek wątku

39. Jak dochodzi do zakleszczeń • Do zakleszczeń dochodzi, gdy jeden wątek, po założeniu blokady na pewien obiekt, próbuje uzyskać dostęp do innego obiektu, który jest blokowany przez drugi wątek, który próbuje uzyskać dostęp do obiektu zablokowanego przez pierwszy wątek

40. Przykład zakleszczenia • Program monitoruje pracę dwóch osób • Każda osoba informuje o postępach swoich i konkurenta

41. publicclass Worker implements Runnable { privatelong counter = 0; String name; Worker other; Worker (String name){ this.name = name; } Worker setOther(Worker other){ this.other = other; returnthis; } synchronizedvoid showStatus(){ Master.sendMessage(name + " " + counter + ", other: " + other.peep()); } synchronizedlong peep(){ return counter; } publicvoid run() { while(true) { counter++; showStatus(); } } }

42. import java.io.IOException; publicclass Master { static Worker tom, bob; publicstaticvoid main(String[] args) throws IOException { tom = new Worker("Tom"); bob = new Worker("Bob"); new Thread(tom.setOther(bob)).start(); new Thread(bob.setOther(tom)).start(); System.in.read(); } staticsynchronizedvoid sendMessage(String string){ System.out.println(string); } }

43. I wynik działania programu: Tom 1, other: 0 Tom 2, other: 0 Tom 3, other: 0 Bob 1, other: 3 Bob 2, other: 3 Bob 3, other: 3 Bob 4, other: 3 Bob 5, other: 3 Bob 6, other: 3 Bob 7, other: 3 Bob 8, other: 3 Bob 9, other: 3 Tom 4, other: 10

44. Literatura • Szkolenia firmy Sun na stronie https://learningcenter-sai.sun.com/ • Dokumentacja API http://java.sun.com/j2se/1.4.2/docs/api/ • http://www.google.pl • Bruce Eckel „Thinking in Java” • Jan Bielecki „Java od podstaw”