🗊Презентация Многопоточное программирование. Принципы и реализация в java. (Лекция 11)

Многопоточное программирование: общие принципы и реализация в Java

План лекции Многопоточное программирование и его особенности Потоки и работа с ними Группы потоков Приоритеты потоков Демон-потоки Блокировки и синхронизация Новые виды ошибок Совместная работа с полями и переменными Методы класса Object Прерывание потоков Высокоуровневые средства

Проблемы однопоточного подхода Монопольный захват задачей процессорного времени Смешение логически несвязанных фрагментов кода Попытка их разделения приводит к возникновению в программе новых систем и усложнению кода

Многопоточное программирование Последовательно выполняющиеся инструкции составляют поток Потоки выполняются независимо Потоки могут взаимодействовать друг с другом В многоядерной системе поток монопольно занимает одно ядро

Квантование времени (Time-Slicing) Время разделяется на интервалы (кванты времени) Во время одного кванта обрабатывается один поток команд Решение о выборе потока принимается до начала интервала Переключения между потоками с высокой частотой Иллюзия одновременности!

Особенности многопоточности Простота выделения подзадач Более гибкое управление выполнением задач Более медленное выполнение Выигрыш в скорости выполнения при разделении задач по используемым ресурсам Выигрыш в скорости выполнения на многоядерных системах Недетерминизм при выполнении

Использование класса Thread Описание класса Запуск потока

Использование интерфейса Runnable Описание класса Запуск потока

Особенности использования интерфейса Runnable Возможность создать класс, описывающий тело потока и наследующий от класса, отличного от Thread Объект вашего класса не является объектом потока Невозможно использовать напрямую методы класса Thread Можно получить ссылку на объект текущего потока с помощью статического метода currentThread() класса Thread

Управление потоками void start() Запускает выполнение потока void stop() Прекращает выполнение потока void suspend() Приостанавливает выполнение потока void resume() Возобновляет выполнение потока void join() Останавливает выполнение текущего потока до завершения потока, у объекта которого был вызван метод static void sleep(long millis) Останавливает выполнение текущего потока как минимум на millis миллисекунд static void yield() Приостанавливает выполнение текущего потока, предоставляет возможность выполнять другие потоки

Группы потоков (ThreadGroup) Каждый поток находится в группе Группы потоков образуют дерево, корнем служит начальная группа Поток не имеет доступа к информации о родительской группе Изменение параметров и состояния группы влияет на все входящие в нее потоки

Создание групп потоков Создание группы Создание потока

Операции в группе потоков int activeCount() Возвращает оценку количества потоков int enumerate(Thread[] list) Копирует в массив активные потоки int activeGroupCount() Возвращает оценку количества подгрупп int enumerate(ThreadGroup[] list) Копирует в массив активные подгруппы void interrupt() Прерывает выполнение всех потоков в группе

Приоритеты потоков Приоритет – количественный показатель важности потока Недетерминированно воздействуют на системную политику упорядочивания потоков Базовый алгоритм программы не должен зависеть от схемы расстановки приоритетов потоков При задании значений приоритетов рекомендуется использовать константы

Приоритеты потоков Константы в классе Thread MAX_PRIORITY MIN_PRIORITY NORM_PRIORITY Методы потока int getPriority() void setPriority(int newPriority) Методы группы потоков int getMaxPriority() void setMaxPriority(int priority)

Демон-потоки (Daemons) Демон-потоки позволяют описывать фоновые процессы, которые нужны только для обслуживания основных потоков выполнения и не могут существовать без них Уничтожаются виртуальной машиной, если в группе не осталось не-демон потоков void setDaemon(boolean on) Устанавливает вид потока Вызывается до запуска потока boolean isDaemon() Возвращает вид потока: true – демон, false – обычный

Демон-группы потоков Демон-группа автоматически уничтожается при остановке последнего ее потока или уничтожении последней подгруппы потоков void setDaemon(boolean on) Устанавливает вид группы boolean isDaemon() Возвращает вид группы: true – демон, false – обычная

Неконтролируемое совместное использование ресурсов Недетерминизм программы Конечный результат работы программы непредсказуем Некорректность работы программы Возможность некорректной работы алгоритма, возникновения исключительных ситуаций

Блокировки Только один поток в один момент времени может установить блокировку на некоторый объект Попытка блокировки уже заблокированного объекта приводит к останову потока до момента разблокирования этого объекта Наличие блокировки не запрещает всех остальных действий с объектом

Блокировки

Синхронизация Синхронизированный блок Синхронизированный метод

Новые виды ошибок Отсутствие синхронизации Необоснованная длительная блокировка объектов Взаимная блокировка (deadlock) Возникновение монопольных потоков Нерациональное назначение приоритетов

Совместная работа с полями и переменными Значения переменных изменяются атомарным образом (кроме double и long) При совместной работе с полем может возникнуть неоднозначность Например, на объект, на который ссылается переменная, наложена блокировка, после чего значение переменной изменяется Например, компилятор может оптимизировать фрагмент кода, предполагая, что поле не изменяет значение

Модификатор полей и переменных final После первого присвоения переменная не может изменять своё значение Если блокировка накладывается на объект, ссылка на который хранится в поле, поле обычно делают неизменяемым Локальные и анонимные классы могут обращаться к локальным переменным, только если они неизменяемы

Модификатор полей volatile Предупреждает компилятор о том, что переменная может изменить своё значение в произвольный момент времени Обращение к переменной всегда будет возвращать именно последнее присвоенное ей значение Если работа с полем ведётся только в синхронизированном коде, применение модификатора неосмысленно

Специальные методы класса Object Каждый объект имеет набор ожидающих потоков исполнения (wait-set) Любой поток может вызвать метод wait() любого объекта и попасть в его wait-set, остановившись до пробуждения Метод объекта notify() пробуждает один, случайно выбранный поток из wait-set объекта Метод объекта notifyAll() пробуждает все потоки из wait-set объекта

Особенности использования методов класса Object Метод может быть вызван потоком у объекта только после установления блокировки на этот объект Потоки, прежде чем приостановить выполнение после вызова метода wait(), снимают все свои блокировки После вызова освобождающего метода потоки пытаются восстановить ранее снятые блокировки

Запрещенные действия над потоками Thread.suspend(), Thread.resume() Увеличивает количество взаимных блокировок Thread.stop() Использование приводит к возникновению поврежденных объектов

Корректное прерывание потока public void interrupt() Изменяет статус потока на прерванный public static boolean interrupted() Возвращает и очищает статус потока (прерван или нет) public boolean isInterrupted() Возвращает статус потока (прерван или нет) Поток должен в ходе своей работы проверять свой статус и корректно завершать работу, если его прервали

А если поток «спит»? В том случае, если в текущий момент поток выполняет методы wait(), sleep(), join(), а его прерывают вызовом метода interrupt()… метод прерывает свое выполнение с выбросом исключения InterruptedException ! Потоку не сообщается, что его прервали!

Пример простого семафора

Пример простого семафора

java.util.concurrent Пакет содержит высокоуровневый инструментарий для многопоточных приложений Пакет содержит следующие категории инструментов Executors – средства запуска потоков Synchronizers – средства синхронизации работы потоков Timing – вспомогательные средства контроля времени Concurrent structures – структуры, корректно работающие в многопоточных приложениях (без блокировки всей структуры)

java.util.concurrent java.util.concurrent.atomic пакет содержит классы оберток для базовых типов, обеспечивающие корректный доступ к значениям в многопоточных приложениях java.util.concurrent.locks пакет содержит высокоуровневые средства работы с блокировками и критическими секциями

Спасибо за внимание!

Дополнительные источники Арнолд, К. Язык программирования Java [Текст] / Кен Арнолд, Джеймс Гослинг, Дэвид Холмс. – М. : Издательский дом «Вильямс», 2001. – 624 с. Вязовик, Н.А. Программирование на Java. Курс лекций [Текст] / Н.А. Вязовик. – М. : Интернет-университет информационных технологий, 2003. – 592 с. Хорстманн, К. Java 2. Библиотека профессионала. Том 2. Тонкости программирования [Текст] / Кей Хорстманн, Гари Корнелл. – М. : Издательский дом «Вильямс», 2010 г. – 992 с. Эккель, Б. Философия Java [Текст] / Брюс Эккель. – СПб. : Питер, 2011. – 640 с. JavaSE at a Glance [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/overview/index.html, дата доступа: 21.10.2011. JavaSE APIs & Documentation [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/documentation/api-jsp-136079.html, дата доступа: 21.10.2011.