Έτοιμα εργαλεία συγχρονισμού στο πακέτο java.util.concurrent & java.util.concurrent.locks

Το πακέτο java.util.concurrent παρέχει κάποια έτοιμα εργαλεία συγχρονισμού μεταξύ νημάτων στην java. Τα βασικά εργαλεία είναι τα εξής:

• BlockingQueue
• Semaphore
• Lock
• ReadWriteLock
• Atomic Integer, Long, Boolean, Reference

Ένα blocking queue είναι μία ουρά μηνυμάτων (queue) στην οποία μπορούν να γράφουν ή να διαβάζουν από αυτή με ασφάλεια δύο ή περισσότερα νήματα. Όταν η ουρά είναι άδεια και ένα νήμα επιχειρήσει να διαβάσει αυτό μπλοκάρει μέχρι κάποιο άλλο νήμα να γράψει στην ουρά. Αντίστοιχα, όταν ένα νήμα επιχειρεί να γράψει σε μία γεμάτη ουρά το νήμα μπλοκάρει μέχρι να ελευθερωθεί μία θέση στην ουρά μηνυμάτων από κάποιο άλλο νήμα που διάβασε. Στο παρακάτω σχήμα βλέπετε την σχηματική αναπαράσταση ενός blocking queue.

Οι βασικές μέθοδοι που υποστηρίζονται από ένα blocking queue είναι οι εξής:

Όλες οι παραπάνω μέθοδοι εξασφαλίζουν ότι μόνο ένα νήμα θα προσπελάσει τα κρίσιμα τμήματα κώδικα της δομή blocking queue (thread-safe), χωρίς όμως να μπορούν να προδιαγράψουν τη σειρά εκτέλεσης των νημάτων.

Υλοποιήσεις του interface Blocking Queue:

• ArrayBlockingQueue: Ένα blocking queue που υλοποιείται μέσω ενός πίνακα. Έχει πεπερασμένη χωρητικότητα.
• DelayQueue: Ένα blocking queue το οποίο αποθηκεύει τα στοιχεία και επιτρέπει την ανάκτηση των στοιχείων που αποθηκεύτηκαν μετά από συγκεκριμένη χρονική καθυστέρηση από την ώρα αποθήκευσης τους.
• LinkedBlockingQueue: Ένα blocking queue που υλοποιείται μέσω διπλά συνδεδεμένης λίστας. Μπορεί να έχει σταθερή ή μεταβαλλόμενη μέγιστη χωρητικότητα.
• PriorityBlockingQueue: Αποθηκεύει στοιχεία που υλοποιούν το interface java.lang.Comparable. Τα στοιχεία ανακτόνται με σειρά προτεραιότητας (με βάση την ταξινόμηση που υφίστανται). Αποτελεί συγχρονισμένη υλοποίηση της κλάσης java.util.PriorityQueue.
• SynchronousQueue: Πρόκειται για ένα blocking queue με χωρητικότητα μηδέν. Για να ενθέσουμε ένα στοιχείο στο queue από ένα νήμα θα πρέπει να υπάρχει ταυτόχρονα άλλο νήμα που θα λάβει το στοιχείο από το queue.

Στο πακέτο java.util.concurrent υλοποιείται η κλάση του σηματοφορέα έτοιμη προς χρήση. Οι βασικές μέθοδοι για τον σηματοφορέα είναι:

• Δέσμευση πόρων (acquire permits):
  • acquire(): Δέσμευει ένα permit, εφόσον αυτό είναι διαθέσιμο, διαφορετικά το νήμα μπλοκάρει. Εάν κατά την αναμονή το νήμα διακοπεί από άλλο νήμα τότε η μέθοδος “πετάει” InterruptedException.
  • acquire(int N): Δέσμευει Ν permits εφόσον είναι διαθέσιμα, διαφορετικά μπλοκάρει. Εάν κατά την αναμονή το νήμα διακοπεί από άλλο νήμα τότε η μέθοδος “πετάει” InterruptedException.
  • acquireUninterruptibly(): Δέσμευει ένα permit, εφόσον αυτό είναι διαθέσιμο, διαφορετικά το νήμα μπλοκάρει. Εάν κατά την αναμονή το νήμα διακοπεί από άλλο νήμα τότε αυτό εξακολουθεί και περιμένει.
  • acquireUninterruptibly(int permits): Δέσμευει Ν permits εφόσον είναι διαθέσιμα, διαφορετικά μπλοκάρει. Εάν κατά την αναμονή το νήμα διακοπεί από άλλο νήμα τότε αυτό εξακολουθεί και περιμένει.
  • tryAcquire(): Επιχειρεί να δεσμεύσει ένα permit, εφόσον αυτό είναι διαθέσιμο. Επιστρέφει true/false σε περίπτωση επιτυχίας/αποτυχίας.
  • tryAcquire(int N): Επιχειρεί να δεσμεύσει N permits, εφόσον αυτό είναι διαθέσιμα. Επιστρέφει true/false σε περίπτωση επιτυχίας/αποτυχίας.
  • tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit): Δέσμευει ένα permit, εφόσον αυτό είναι διαθέσιμο, διαφορετικά το νήμα μπλοκάρει για χρονικό διάστημα ίσο με timeout. Επιστρέφει true εφόσον τα ζητούμενα permits είναι διαθέσιμα και false έαν το χρονικό όριο timeout παρέλθει χωρίς τα ζητούμενα permits να γίνουν διαθέσιμα. Εάν κατά την αναμονή το νήμα διακοπεί από άλλο νήμα τότε η μέθοδος “πετάει” InterruptedException.
  • drainPermits(): Λαμβάνει όλα τα διαθέσιμα permits. Επιστρέφει τον αριθμό τους.
• Απελευθέρωση πόρων (release permits):
  • release(): Απελευθερώνει ένα πόρο από τον σηματοφορέα. Δεν υπάρχει καμία προϋπόθεση το νήμα που απελευθερώνει ένα πόρο να τον έχει καταλάβει μέσω της acquire προηγούμενα.
  • release(int Ν): Απελευθερώνει Ν πόρους από τον σηματοφορέα. Δεν υπάρχει καμία προϋπόθεση το νήμα που απελευθερώνει τους πόρους να τους έχει καταλάβει μέσω της acquire προηγούμενα.

Νήματα που αναμένουν ένα ή περισσότερους πόρους του σηματοφορέα και μπορούν να ικανοποιηθούν από την απελευθέρωση πόρων ξυπνούν και χρονοπρογραμματίζεται η εκτέλεση τους.

Άλλες χρήσιμες μέθοδοι είναι:

• availablePermits: Επιστρέφει τον αριθμό των διαθέσιμων πόρων του σηματοφορέα.
• getQueuedThreads: Επιστρέφει τη λίστα με τα νήματα που περιμένουν να καταλάβουν πόρους του σηματοφορέα.
• getQueuedLength: Επιστρέφει τον αριθμό των νημάτων που περιμένουν να καταλάβουν πόρους του σηματοφορέα.

To interface java.util.concurrent.locks.Lock προδιαγράφει μία κλειδαριά, η οποία επιτρέπει μόνο σε ένα νήμα κάθε φορά να την κλειδώσει. Όλα τα νήματα που δεν καταφέρνουν να κλειδώσουν παραμένουν ανενεργά μέχρι η κλειδαριά να ξεκλειδώσει. Οι βασικές μέθοδοι που προδιαγράφει το συγκεκριμένο interface είναι οι εξής:

• lock(): Επιχειρεί να κλειδώσει την κλειδαριά. Εάν η κλειδαριά είναι κλειδωμένη αναμένει το ξεκλείδωμα της.
• tryLock(): Κλειδώνει την κλειδαριά μόνο εάν αυτή είναι ελεύθερη. Διαφορετικά επιστρέφει χωρίς να κλειδώσει.
• tryLock(long time, TimeUnit unit): Επιχειρεί να κλειδώσει τη κλειδαριά. Εάν η κλειδαριά είναι κλειδωμένη αναμένει για μέγιστο χρονικό διάστημα που περιγράφεται από τα ορίσματα της μεθόδου και εάν δεν γίνει διαθέσιμη επιστρέφει χωρίς να κλειδώσει.
• unlock(): Ξεκλειδώνει την κλειδαριά.

Υλοποίηση του παραπάνω interface είναι η κλάση java.util.concurrent.locks.ReentrantLock, η οποία επιτρέπει το πολλαπλό κλείδωμα της κλειδαριάς από το ίδιο νήμα. Το ξεκλείδωμα της κλειδαριάς πραγματοποιείται μόνον εφόσον το νήμα που κλείδωσε ξεκλειδώσει τόσες φορές όσες έχει προηγούμενα κλειδώσει. Η συγκεκριμένη κλάση δίνει την δυνατότητα του ισότιμου χρονοπρογραμματισμού των νημάτων που περιμένουν, εφόσον κληθεί ο κατασκευαστής με όρισμα true.

Το interface ReadWriteLock προδιαγράφει δύο κλειδαριές, μία για διάβασμα και μία για γράψιμο. Η διαφορά με την προηγούμενη κλειδαριά είναι ότι την κλειδαριά που επιτρέπει το διάβασμα μπορούν να την κλειδώσουν παράλληλα πολλά νήματα που θέλουν να διαβάσουν εάν δεν υπάρχει νήμα που θέλει να γράψει. Αντίστοιχα την κλειδαριά που επιτρέπει το γράψιμο μπορεί να την κλειδώσει μόνο ένα νήμα και παράλληλα απαγορεύεται η πρόσβαση στην κλειδαριά που επιτρέπει το διάβασμα. Συνοπτικά:

• ΜΟΝΟ ένα νήμα μπορεί να γράψει. Κανένα νήμα δεν μπορεί να διαβάσει.
• Πολλαπλά νήματα μπορούν να διαβάσουν εάν δεν υπάρχει νήμα που θέλει να γράψει.

Το παραπάνω interface υλοποιείται μεσω της κλάσης |java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock. Η κλάση αυτή περιέχει δύο άλλες εσωτερικές κλάσεις την ReentrantReadWriteLock.ReadLock και ReentrantReadWriteLock.WriteLock. Η πρώτη χρησιμοποιείται για διάβασμα και η δεύτερη για γράψιμο.

Στο πακέτο java.util.concurrent.atomic η γλώσσα παρέχει ισοδύναμους των βασικών τύπων δεδομένων οι οποίοι όμως μπορούν να προσπελαστούν από δύο ή περισσότερα νήματα χωρίς να προκύψει ασάφεια ως προς την τιμή τους. Οι τύποι αυτοί είναι οι εξής:

• AtomicBoolean: Μία boolean μεταβλητή η οποία μπορεί να αλλάξει τιμή ατομικά.
• https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/util/concurrent/atomic/AtomicInteger.htmlAtomicInteger: Μία Integer μεταβλητή η οποία μπορεί να αλλάξει τιμή ατομικά.
• AtomicIntegerArray: Ένας πίνακας από ακεραίους του οποίου τα στοιχεία μπορούν να αλλάξουν τιμή ατομικά.
• AtomicLong: Μία Long μεταβλητή η οποία μπορεί να αλλάξει τιμή ατομικά.
• AtomicLongArray: Ένας πίνακας από ακεραίους τύπου Long του οποίου τα στοιχεία μπορούν να αλλάξουν τιμή ατομικά.
• AtomicReference: Μία αναφορά σε αντικείμενο η οποία μπορεί να αλλάξει ατομικά.
• AtomicReferenceArray: Ένας πίνακας από αναφορές του οποίου τα στοιχεία μπορούν να αλλάξουν τιμή ατομικά.

Οι βασικές μέθοδοι που διαθέτουν οι παραπάνω κλάσεις είναι οι εξής:

• compareAndSet: Η μέθοδος αλλάζει την τιμή της μεταβλητής με την προϋπόθεση ότι η υφιστάμενη τιμή ταυτίζεται με το 1ο όρισμα της μεθόδου.
• get: Επιστρέφει την τρέχουσα τιμή.
• getAndSet: Επιστρέφει την υφιστάμενη τιμή και την ανανεώνει με μία νέα.
• lazySet: Θέτει μία νέα τιμή για την μεταβλητή.
• set: Θέτει μία νέα τιμή για την μεταβλητή.