Αντικειμενοστραφής Προγραμματισμός

This page is read only. You can view the source, but not change it. Ask your administrator if you think this is wrong.
====== Συγχρονισμός Νημάτων ======

Ο συγχρονισμός νημάτων έχει σαν στόχο να επιτρέπει σε διαφορετικά νήματα να διαβάζουν ή να γράφουν με ασφάλεια σε διαμοιραζόμενες μεταβλητές χωρίς να προκύπτουν ασάφειες ως προς τις τιμές των μεταβλητών αυτών λόγω ταυτόχρονης μεταβολής τους. Ο προσεκτικός αναγνώστης θα παρατηρήσει ότι την προστασία των διαμοιραζόμενων μεταβλητών μπορούμε να την διασφαλίσουμε με την χρήση συγχρονισμένων μπλοκ ή συγχρονισμένων μεθόδων. Το παραπάνω είναι σωστό, με την προϋπόθεση ότι τα νήματα επιθυμούμε να εκτελούνται παράλληλα. Εάν τα νήματα δεν πρέπει να εκτελεστούν παράλληλα, αλλά το ένα νήμα θα πρέπει να περιμένει το άλλο να ολοκληρώσει τότε τα συγχρονισμένα block από μόνα τους δεν αποτελούν λύση. Σε αυτή την περίπτωση απαιτείται η έννοια της κλειδαριάς (//lock//). 

Ας υποθέσουμε ότι έχουμε δύο νήματα Α, Β και το νήμα Α θέλει να ειδοποιήσει το νήμα Β μόλις ολοκληρώσει την επεξεργασία των δεδομένων του, ώστε εκείνο να ξεκινήσει την επεξεργασία των δεδομένων που δημιουργήθηκαν. Δεν μας αρκεί δηλαδή τα νήματα Α, Β να εκτελούνται παράλληλα, αλλά θα θέλαμε το νήμα Β να ξεκινήσει την επεξεργασία μόλις το νήμα Α ολοκληρώσει.

===== Συγχρονισμός μέσω διαμοιραζόμενων αντικειμένων και διαρκούς επανάληψης =====

Ο πιο απλός τρόπος για να επικοινωνήσουν δύο νήματα μεταξύ τους είναι μέσω διαμοιραζόμενων αντικειμένων. Για το παραπάνω παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι το νήμα Α θέτει την boolean τιμή //locked// σε //true// μέσα από μία συγχρονισμένη μέθοδο και το νήμα Β διαβάζει την τιμή //locked// και πάλι μέσω μίας συγχρονισμένης μεθόδου

<code java MyLock.java>
public class MyLock{

  protected boolean locked = false;

  public synchronized boolean isLocked(){
    return locked;
  }
  
  public synchronized void lock (){
    locked = true;  
  }
  
  public synchronized void unlock (){
    locked = false;  
  }
}
</code>

Η παραπάνω κλάση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επικοινωνία μεταξύ δύο νημάτων **Α**, **Β**. Ας υποθέσουμε ότι το νήμα **Β** περιμένει έως ότου τα δεδομένα να είναι διαθέσιμα από το νήμα **Α**, περιμένοντας διαρκώς σε ένα while() βρόγχο, όπως παρακάτω:

<code java BusyWait.java>
import java.util.*;

public class BusyWait implements Runnable {

  protected MyLock lock;
  
  BusyWait(MyLock l) {
    lock = l;
  }
  
  public static void main(String args[]) {
    MyLock sharedLock = new MyLock();
    new Thread(new BusyWait(sharedLock)).start();
    new Thread(new BusyWait(sharedLock)).start();
  }
  
  public void run() {
    try {
      while(lock.isLocked() == true) {
        Thread.sleep(300);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" awaites locked for the lock.");
      }
      // Uncomment the following line and see threads running concurrently.
      // Thread.sleep(10);
      lock.lock();   
      for(int i=0; i<10; i++) {
        Thread.sleep(100);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" iteration: "+i);
      }
      lock.unlock();
      System.out.println("Exiting!");
    }
    catch(InterruptedException ex) {
      ex.printStackTrace();
    }
  }
}
</code>

Στο παράδειγμα αυτό το νήμα περιμένει, αλλά παράλληλα παραμένει και ενεργό (busy). Επίσης, θα παρατηρήσετε ότι με σημαντική πιθανότητα (αλλά όχι βεβαιότητα) τα δύο νήματα θα εκκινήσουν ταυτόχρονα και ταυτόχρονα διαβάσουν την τιμή **lock.isLocked() -> true**  και θα αρχίσουν να εκτελούνται παράλληλα πράγμα που δεν το θέλουμε. Δοκιμάστε να μεταγλωττίσετε και να εκτελέσετε μερικές φορές για να διαπιστώσετε την ταυτόχρονη εκτέλεση των νημάτων.

===== Συγχρονισμός με χρήση wait(), notify(), notifyAll() =====

Το παραπάνω σχήμα δεν είναι αποτελεσματικό ως προς τον συγχρονισμό και επίσης δαπανά πολλά resources καθώς το νήμα **Β** παραμένει ενεργό περιμένοντας. Θα ήταν πιο αποδοτικό αν αντί να παραμένει ενεργό το νήμα **Β** //"κοιμόταν"// περιμένοντας το νήμα **Α** να ολοκληρώσει. Η Java διαθέτει ένα μηχανισμό προκειμένου να επιτρέψει σε νήματα να κοιμηθούν περιμένοντας τα νήματα που εκτελούνται να ολοκληρώσουν το έργο τους. Συγκεκριμένα διαθέτει τρεις μεθόδους που επιτρέπουν το συγκεκριμένο συγχρονισμό [[https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/Object.html#wait--|wait()]], [[https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/Object.html#notify--|notify()]], [[https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/Object.html#notifyAll--|notifyAll()]].

Όταν ένα νήμα καλεί την μέθοδο //wait()// πάνω σε ένα αντικείμενο, τότε το νήμα κοιμάται έως ότου ένα άλλο νήμα καλέσει τη μέθοδο //notify()// πάνω στο ίδιο αντικείμενο. Τότε το νήμα που κοιμόταν ξυπνάει και συνεχίζει την εκτέλεση του. Το νήμα που καλεί τις //wait()// και //notify()// __θα πρέπει να έχει λάβει προηγουμένως το //monitor lock// για το συγκεκριμένο αντικείμενο__, δηλαδή τόσο η //wait()// όσο και η //notify()// __θα πρέπει να κληθούν μέσα σε μία συγχρονισμένη μέθοδο ή συγχρονισμένο μπλοκ__. Δείτε το παρακάτω παράδειγμα συγχρονισμού με χρήση των //wait()/notify()//.

<code java MyWaitNotify.java>
public class MyWaitNotify{

  Object myMonitorObject = new Object();
  boolean wasSignalled = true;

  public void doWait(){
    synchronized(myMonitorObject){
      if(!wasSignalled){
        try{
          myMonitorObject.wait();
         } catch(InterruptedException e){...}
      }
      //clear signal and continue running.
      wasSignalled = false;
    }
  }

  public void doNotify(){
    synchronized(myMonitorObject){
      wasSignalled = true;
      myMonitorObject.notify();
    }
  }
}
</code>

Η μέθοδος //notify()// ξυπνάει ένα νήμα που περιμένει στο συγκεκριμένο //monitor lock//. Όπως βλέπετε οι μέθοδοι //wait()// και //notify()// καλούνται μέσα σε ένα συγχρονισμένο block του οποίου το //monitor lock// αφορά το αντικείμενο από το οποίο καλούνται οι //wait()// και //notify()//. Το παραπάνω σχήμα είναι υποχρεωτικό, δηλαδή (ισχύουν και τα δύο παρακάτω):
  - οι //wait()// και //notify()// θα πρέπει να κληθούν μέσα σε ένα συγχρονισμένο block ή μία συγχρονισμένη μέθοδο. 
  - Κατά την κλήση των //wait()/notify()// μπορούμε να καλέσουμε τις wait()/notify() μόνο για το αντικείμενο του οποίου έχουμε αποκτήσει το //monitor lock//. Εάν δεν ισχύει αυτό τότε λαμβάνουμε ένα [[http://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/lang/IllegalMonitorStateException.html|IllegalMonitorStateException]].

Εκτός από τη μέθοδο //notify()// που ξυπνάει ένα νήμα από όσα περιμένουν υπάρχει και η //notifyAll()// που ξυπνάει όλα τα νήματα που περιμένουν για το συγκεκριμένο //monitor lock//. Όταν περισσότερα του ενός νήματα περιμένουν, το ποιο νήμα από όλα θα ξυπνήσει η μέθοδος //notify()// δεν ελέγχεται από εσάς. Είστε όμως βέβαιοι ότι θα ξυπνήσει ένα νήμα.

<WRAP important 80% round center>
Ο παραπάνω κώδικας δεν μπορεί να εξασφαλίσει τον συγχρονισμό αν αντικαταστήσουμε την //notify()// με την //notifyAll()//. Γιατί;
</WRAP>

Ας δούμε τώρα πως υλοποιείται ο παραπάνω μηχανισμός συγχρονισμού. Όταν ένα νήμα περιμένει μέσω της //wait()// ελευθερώνει παράλληλα το //monitor lock// που έχει λάβει για το αντικείμενο //myMonitorObject//, Η απελευθέρωση του //monitor lock// επιτρέπει σε άλλα νήματα που δεν έχουν το //lock// να το λάβουν μπαίνοντας σε ένα συγχρονισμένο block ή συγχρονισμένη μέθοδο. 

<WRAP tip 80% round center>
Στην πραγματικότητα αυτό που συμβαίνει είναι λίγο πιο πολύπλοκο από όσο περιγράφεται παραπάνω. Όταν ένα νήμα ξυπνήσει δεν μπορεί αμέσως να βγει από την μέθοδο //wait()//. Αντίθετα θα πρέπει να περιμένει μέχρι το νήμα που κάλεσε την //notify()// να βγει από το συγχρονισμένο block ή την συγχρονισμένη μέθοδο. Αυτό συμβαίνει διότι το νήμα που ξυπνάει θα πρέπει να λάβει το //lock// του αντικειμένου από το οποίο κλήθηκε η μέθοδος //wait()// καθώς αυτή καλείται πάντα μέσα σε ένα συγχρονισμένο block ή μία συγχρονισμένη μέθοδο. 

Σε αναλογία, αν πολλαπλά νήματα ξυπνήσουν μέσα από μία κλήση της //notifyAll()//, τότε αυτά τα νήματα δεν μπορούν να ξυπνήσουν όλα μαζί, αλλά ένα-ένα καθώς κάθε ένα νήμα που ξυπνάει θα πρέπει να λάβει το lock πάνω στο οποίο περιμένει πριν συνεχίσει την εκτέλεση του.
</WRAP>

===== Ξαφνικά ξυπνήματα (Spurious wake-ups) =====

Υπάρχει η πιθανότητα ένα νήμα να ξυπνήσει ακόμη και δίχως να κληθεί η //notify()// ή η //notifyAll()//, εφόσον το //monitor lock// είναι ελεύθερο. Αν και οι περιπτώσεις αυτές δεν είναι συχνές δεν θα πρέπει να αποκλειστούν. Σε αυτή την περίπτωση αν το νήμα λάβει το **lock** θα ξυπνήσει και θα συνεχίσει την εκτέλεση του δίχως να εξετάσει αν έχει έρθει ένα σήμα ή όχι. Για το λόγο αυτό, καλό θα είναι ο έλεγχος που γίνεται παραπάνω (μέσα στην //if()//) να αντικατασταθεί με ένα //while() loop// ώστε να είμαστε σίγουροι ότι όσο δεν έχει αλλάξει η τιμή της μεταβλητής //wasSignalled// το νήμα που περιμένει δεν θα συνεχίσει την εκτέλεση του. Δείτε τον τελικό κώδικα παρακάτω

<code java MyWaitNotify2.java>
public class MyWaitNotify2{

  Object myMonitorObject = new Object();
  boolean wasSignalled = false;

  public void doWait(){
    synchronized(myMonitorObject){
      while(!wasSignalled){
        try{
          myMonitorObject.wait();
         } catch(InterruptedException e){...}
      }
      //clear signal and continue running.
      wasSignalled = false;
    }
  }

  public void doNotify(){
    synchronized(myMonitorObject){
      wasSignalled = true;
      myMonitorObject.notify();
    }
  }
}
</code>

<WRAP info 80% center round>
Το παραπάνω σχήμα δουλεύει επίσης πολύ καλά εάν πολλαπλά νήματα περιμένουν σε ένα monitor lock. 
Αν τα νήματα αυτά ξυπνούν μέσα από μία κλήση της μεθόδου //notifyAll()//, τότε μέσα από τον παραπάνω κώδικα μόνο ένα από τα νήματα θα λάβει το monitor lock (το πρώτο που ξύπνησε και έλαβε το lock του αντικειμένου myMonitorObject). Τα υπόλοιπα, όταν με την σειρά τους θα λάβουν το lock, θα ελέγξουν την τιμή της μεταβλητής //wasSignalled// και θα πάνε πάλι για ύπνο εφόσον την βρουν ίση με //false//.
</WRAP>

Παρατηρήστε ότι η κλάση **MyWaitNotify2** υλοποιεί ένα μία απλή κλειδαριά, όπου μόνο ένα νήμα μπορεί να πάρει την κλειδαριά, ενώ όλα τα υπόλοιπα νήματα περιμένουν. Μόλις ολοκληρώσει την επεξεργασία ελευθερώνει την κλειδαριά και ενημερώνει ένα από τα νήματα που περιμένουν να ξεκινήσει. Η παραπάνω κλάση θα μπορούσε να γραφεί με την μορφή κλειδαριάς ως εξής:

<code java SimpleLock.java>
public class SimpleLock {

  Object myMonitorObject = new Object();
  boolean wasSignalled = false;

  public void lock(){
    synchronized(myMonitorObject){
      while(!wasSignalled){
        try{
          myMonitorObject.wait();
         } catch(InterruptedException e){...}
      }
      //clear signal and continue running.
      wasSignalled = false;
    }
  }

  public void unlock(){
    synchronized(myMonitorObject){
      wasSignalled = true;
      myMonitorObject.notify();
    }
  }
}
</code>

|Προηγούμενο: [[:java:synchronized_methods_blocks| Συγχρονισμένες μέθοδοι και blocks ]] | [[:toc | Περιεχόμενα ]] | Επόμενο: [[java:deadlock | Αδιέξοδο στην χρήση των πόρων ]]|