Differences

This shows you the differences between two versions of the page.

--- java:thread_signalling [2015/03/30 04:10]
gthanos [Spurious wake-ups]
+++ java:thread_signalling [2016/02/26 11:15] (current)
@@ Line 1: / Line 1: @@
 ====== 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. 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.
+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 το παραπάνω μπορούμε να το επιτύχουμε και με την χρήση συγχρονισμένων μπλοκ ή συγχρονισμένων μεθόδων. Το παραπάνω είναι εν μέρη σωστό, μόνο αν τα νήματα δύναται να εκτελούνται παράλληλα. Εάν τα νήματα δεν μπορούν 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).
-===== Συγχρονισμός μέσω διαμοιραζόμενων αντικειμένων =====
+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 Β να ξεκινήσει την επεξεργασία μόλις το 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 //hasDataToProcess// σε true μέσα από μία συγχρονισμένη μέθοδο και το νήμα Β διαβάζει την τιμή //hasDataToProcess// και πάλι μέσω μίας συγχρονισμένης μεθόδου
@@ Line 10: / Line 12: @@
 public class MySignal{
-  protected boolean hasDataToProcess = false;
+  protected boolean dataToProcess = true;
   public synchronized boolean hasDataToProcess(){
-    return this.hasDataToProcess;
+    return dataToProcess;
   }
   public synchronized void setHasDataToProcess(boolean hasData){
-    this.hasDataToProcess = hasData;
+    this.dataToProcess = hasData;
   }
 }
 </code>
-===== Συγχρονισμός μέσω διαρκούς επανάληψης =====
+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:
-Το νήμα Β περιμένει έως ότου τα δεδομένα να είναι διαθέσιμα περιμένοντας διαρκώς σε ένα while() βρόγχο (loop), όπως παρακάτω
+<code java BusyWait.java>
+import java.util.*;
-<code java>
+public class BusyWait implements Runnable {
-protected MySignal sharedSignal = ...
-...
+  protected MySignal signal;
+  BusyWait(MySignal s) {
+    signal = s;
+  }
+  public static void main(String args[]) {
+    MySignal sharedSignal = new MySignal();
+    new Thread(new BusyWait(sharedSignal)).start();
+    new Thread(new BusyWait(sharedSignal)).start();
+  }
+  public void run() {
+    try {
+      while(signal.hasDataToProcess() == false) {
+      }
+      signal.setHasDataToProcess(false);
+      int i;
+      for(i=0; i<10; i++) {
+        Thread.sleep(100);
+        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" iteration: "+i);
+      }
+      signal.setHasDataToProcess(true);
+      System.out.println("Exiting!");
+    }
+    catch(InterruptedException ex) {
+      ex.printStackTrace();
+    }
+  }
-while(!sharedSignal.hasDataToProcess()){
-  //do nothing... busy waiting
 }
 </code>
-Στο παράδειγμα αυτό το νήμα περιμένει, αλλά παράλληλα παραμένει και ενεργό (busy).
+Στο παράδειγμα αυτό το νήμα περιμένει, αλλά παράλληλα παραμένει και ενεργό (busy). Επίσης, θα παρατηρήσετε ότι με σημαντική πιθανότητα (αλλά όχι σίγουρα) τα δύο νήματα θα εκκινήσουν ταυτόχρονα και ταυτόχρονα διαβάσουν την τιμή **signal.hasDataToProcess() -> -1**  και θα αρχίσουν να εκτελούνται παράλληλα πράγμα που δεν το θέλουμε.
 ===== Συγχρονισμός με χρήση wait(), notify(), notifyAll() =====
-Το παραπάνω σχήμα αν και είναι αποτελεσματικό ως προς τον συγχρονισμό 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()]].
+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. Προκειμένου να κληθούν οι //wait()// και //notify()// __το νήμα που τις καλεί θα πρέπει να λάβει 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()//.
+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 λάβει 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 MonitorObject.java>
@@ Line 53: / Line 80: @@
   MonitorObject myMonitorObject = new MonitorObject();
+  boolean wasSignalled = false;
   public void doWait(){
     synchronized(myMonitorObject){
-      try{
+      if(!wasSignalled){
-        myMonitorObject.wait();
+        try{
-      } catch(InterruptedException e){...}
+          myMonitorObject.wait();
+         } catch(InterruptedException e){...}
+      }
+      //clear signal and continue running.
+      wasSignalled = false;
     }
   }
@@ Line 64: / Line 96: @@
   public void doNotify(){
     synchronized(myMonitorObject){
+      wasSignalled = true;
       myMonitorObject.notify();
     }
@@ Line 70: / Line 103: @@
 </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
+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. Αν δεν γίνει αυτό τότε λαμβάνουμε ένα [[http://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/lang/IllegalMonitorStateException.html|IllegalMonitorStateException]].
-  - δεν μπορούμε να αποκτήσουμε το monitor lock ενός διαφορετικού αντικειμένου από αυτό με το οποίο καλούμε τις wait()/notify(). Επίσης, βλέπετε ότι οι //wait()// και //notify()// βρίσκονται μέσα σε ένα block.
+  - Κατά την κλήση των //wait()/notify()// δεν μπορούμε να αποκτήσουμε το monitor lock ενός διαφορετικού αντικειμένου από αυτό με το οποίο καλούμε τις wait()/notify(), δηλ δεν μπορούμε να κάνουμε κάτι σαν το παρακάτω
-Επίσης, εκτός της //notify()// υπάρχει και η //notifyAll()// που ξυπνάει όλα τα νήματα που περιμένουν στο συγκεκριμένο //monitor lock// σε αντίθεση με την notify() που ξυπνάει μόνο ένα νήμα. Όταν περισσότερα του ενός νήματα περιμένουν το ποιο νήμα θα ξυπνήσει η //notify()// δεν ελέγχεται από εσάς.
+<code java>
+  public void doWait(){
+    synchronized(myMonitorObject){
+      if(!wasSignalled){
+        try{
+          myMonitorObject2.wait();
+         } catch(InterruptedException e){...}
+      }
+      //clear signal and continue running.
+      wasSignalled = false;
+    }
+  }
+</code>
-Πως όμως το παραπάνω σχήμα είναι δυνατόν; Το thread που περιμένει δεν κρατά το monitor lock που έχει λάβει για το αντικείμενο myMonitorObject, όσο αυτό παραμένει μέσα στο synchronized block; Η απάντηση είναι αρνητική. Όσο το νήμα περιμένει ελευθερώνει το συγκεκριμένο monitor lock. Το παραπάνω επιτρέπει σε άλλες μεθόδους που δεν έχουν το lock να λάβουν το lock μπαίνοντας σε ένα συγχρονισμένο block ή συγχρονισμένη συνάρτηση και να καλέσουν τις //wait()// και //notify()// μέσα από εκεί.
+Εκτός της //notify()// υπάρχει και η //notifyAll()// που ξυπνάει όλα τα νήματα που περιμένουν στο συγκεκριμένο //monitor lock// σε αντίθεση με την notify() που ξυπνάει μόνο ένα νήμα. Όταν περισσότερα του ενός νήματα περιμένουν το ποιο νήμα θα ξυπνήσει η μέθοδος //notify()// δεν ελέγχεται από εσάς. Είστε όμως σίγουροι ότι θα ξυπνήσει ένα νήμα.
-Once a thread is awakened it cannot exit the wait() call until the thread calling notify() has left its synchronized block. In other words: The awakened thread must reobtain the lock on the monitor object before it can exit the wait() call, because the wait call is nested inside a synchronized block. If multiple threads are awakened using notifyAll() only one awakened thread at a time can exit the wait() method, since each thread must obtain the lock on the monitor object in turn before exiting wait().
+<WRAP important 80% round center>
+Ο παραπάνω κώδικας δεν μπορεί να εξασφαλίσει τον συγχρονισμό αν αντικαταστήσουμε την notify() με την notifyAll(). Γιατί;
+</WRAP>
-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 καλείτε 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.
+Πως όμως το παραπάνω σχήμα είναι δυνατόν; Το thread που περιμένει δεν κρατά το monitor lock που έχει λάβει για το αντικείμενο myMonitorObject, όσο αυτό παραμένει μέσα στο συγχρονισμένο block ή την συγχρονισμένη μέθοδο; Η απάντηση είναι αρνητική. Όσο το νήμα περιμένει ελευθερώνει το συγκεκριμένο monitor lock. Το παραπάνω επιτρέπει σε άλλα νήματα που δεν έχουν το lock να λάβουν το lock μπαίνοντας σε ένα συγχρονισμένο block ή συγχρονισμένη συνάρτηση.
-===== Χαμένα σήματα συγχρονισμού =====
+<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>
-Στο παραπάνω παράδειγμα η μέθοδος //doWait()// δεν ελέγχει εάν έχει έρθει ένα σήμα ή όχι πριν πάει για ύπνο το νήμα που την καλεί. Αν ένα σήμα έρθει πριν εκείνη κοιμηθεί δεν έχει τρόπο να ελέγξει αν το σήμα έφτασε ή όχι. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιούμε μία επιπλέον boolean μεταβλητή που κρατά την πληροφορία κατά πόσο δημιουργήθηκε ένα σήμα ή όχι. Ο παραπάνω κώδικας αναμορφώνεται ως εξής:
+===== Ξαφνικά ξυπνήματα (Spurious wake-ups) =====
+Υπάρχει η πιθανότητα ένα νήμα να ξυπνήσει ακόμη και δίχως να κληθεί η //notify()// ή η //notifyAll()//. 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 έρθει κάποιο σήμα το νήμα που περιμένει δεν θα συνεχίσει την εκτέλεση του. Δείτε τον τελικό κώδικα παρακάτω
 <code java MyWaitNotify2.java>
@@ Line 94: / Line 145: @@
   public void doWait(){
     synchronized(myMonitorObject){
-      if(!wasSignalled){
+      while(!wasSignalled){
         try{
           myMonitorObject.wait();
@@ Line 112: / Line 163: @@
 }
 </code>
-===== Ξαφνικά ξυπνήματα (Spurious wake-ups) =====
-Υπάρχει η πιθανότητα ένα νήμα να ξυπνήσε ακόμη και δίχως να κληθεί η //notify()// ή η //notifyAll()//. 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 έρθει κάποιο σήμα το νήμα που περιμένει δεν θα συνεχίσει την εκτέλεση του. Δείτε τον τελικό κώδικα παρακάτω
+<WRAP info 80% center round>
-<code java>
+Το παραπάνω σχήμα δουλεύει επίσης πολύ καλά εάν πολλαπλά νήματα περιμένουν σε ένα monitor lock.
-public class MyWaitNotify3{
+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 και ως εξής:
+<code java SimpleLock.java>
+public class SimpleLock {
   MonitorObject myMonitorObject = new MonitorObject();
   boolean wasSignalled = false;
-  public void doWait(){
+  public void lock(){
     synchronized(myMonitorObject){
       while(!wasSignalled){
@@ Line 133: / Line 189: @@
   }
-  public void doNotify(){
+  public void unlock(){
     synchronized(myMonitorObject){
       wasSignalled = true;
@@ Line 141: / Line 197: @@
 }
 </code>
-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//.

Αντικειμενοστραφής Προγραμματισμός, Εφαρμογές με χρήση της γλώσσας προγραμματισμού JAVA

User Tools

Site Tools

Differences

Page Tools