This is an old revision of the document!
====== 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. ===== 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 <code java MySignal.java> public class MySignal{ protected boolean dataToProcess = true; public synchronized boolean hasDataToProcess(){ return dataToProcess; } public synchronized void setHasDataToProcess(boolean hasData){ this.dataToProcess = hasData; } } </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 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(); } } } </code> Στο παράδειγμα αυτό το νήμα περιμένει, αλλά παράλληλα παραμένει και ενεργό (busy). Επίσης, θα παρατηρήσετε ότι αν τα δύο νήματα δεν καλέσουν την μέθοδο sleep() στην αρχή, τότε με μεγάλη πιθανότητα τα δύο νήματα θα εκκινήσουν ταυτόχρονα και ταυτόχρονα διαβάσουν την τιμή **signal.hasDataToProcess() -> -1** και θα αρχίσουν να τρέχουν παράλληλα πράγμα που δεν το θέλουμε. ===== 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 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> public class MonitorObject{ } </code> <code java MyWaitNotify.java> public class MyWaitNotify{ MonitorObject myMonitorObject = new MonitorObject(); boolean wasSignalled = false; 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 - 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]]. - 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 <code java> public void doWait(){ synchronized(myMonitorObject){ if(!wasSignalled){ try{ myMonitorObject2.wait(); } catch(InterruptedException e){...} } //clear signal and continue running. wasSignalled = false; } } </code> 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. <WRAP tip> Ο παραπάνω κώδικας δεν μπορεί να εξασφαλίσει τον συγχρονισμό αν αντικαταστήσουμε την notify() με την notifyAll(). Γιατί; </WRAP> 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. <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> <WRAP tip 80% round center> Δεν θα πρέπει να συγχέετε τον μηχανισμό locking που επιτρέπει η Java μέσω των μεθόδων wait()/notify()/notifyAll() και των μεθόδων που τελικά κατασκευάζουμε ώστε να επιτύχουμε τον συγχρονισμό των νημάτων. Ο μηχανισμός που κατασκευάζουμε βασίζεται στον βασικό μηχανισμό της Java, αλλά συχνά κάνει πολύ περισσότερα από τον απλό μηχανισμό συγχρονισμού. </WRAP> ===== 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 <code java MyWaitNotify2.java> public class MyWaitNotify2{ MonitorObject myMonitorObject = new MonitorObject(); 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 tip> 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>
