10. МНОГОПОТОЧНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ
10. МНОГОПОТОЧНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ
Параллельное программирование, связанное с использованием легковесных процессов, или подпроцессов (multithreading, light-weight processes) — концептуальная парадигма, в которой вы разделяете свою программу на два или несколько процессов, которые могут исполняться одновременно.
В системах без параллельных подпроцессов используется подход, называемый циклом обработки событий. В этой модели единственный подпроцесс выполняет бесконечный цикл, проверяя и обрабатывая возникающие события. Синхронизация между различными частями программы происходит в единственном цикле обработки событий. Такие среды называют синхронными управляемыми событиями системами. Если вы можете разделить свою задачу на независимо выполняющиеся подпроцессы и можете автоматически переключаться с одного подпроцесса, который ждет наступления события, на другой, которому есть чем заняться, за тот же промежуток времени вы выполните больше работы. Вероятность того, что больше чем одному из подпроцессов одновременно надолго потребуется процессор, мала.
10.1. Модель легковесных процессов в Java
Java использует подпроцессы для того, чтобы сделать среду программирования асинхронной. После того, как подпроцесс запущен, его выполнение можно временно приостановить (suspend). Если подпроцесс остановлен (stop), возобновить его выполнение невозможно. У подпроцессов имеются приоритеты. Приоритеты подпроцессов — это просто целые числа в диапазоне от 1 до 10 и имеет смысл только соотношения приоритетов различных подпроцессов. Приоритеты же используются для того, чтобы решить, когда нужно остановить один подпроцесс и начать выполнение другого. Это называется переключением контекста. Правила просты. Подпроцесс может добровольно отдать управление — с помощью явного системного вызова или при блокировании на операциях ввода-вывода, либо он может быть приостановлен принудительно. В первом случае проверяются все остальные подпроцессы, и управление передается тому из них, который готов к выполнению и имеет самый высокий приоритет. Во втором случае низкоприоритетный подпроцесс независимо от того, чем он занят, приостанавливается принудительно для того, чтобы начал выполняться подпроцесс с более высоким приоритетом. Поскольку подпроцессы вносят в ваши программы асинхронное поведение, должен существовать способ их синхронизации. Для этой цели в Java реализовано развитие старой модели синхронизации процессов с помощью монитора. Если вы разделили свою программу на логические части - подпроцессы, вам нужно определить, как эти части будут общаться друг с другом. Java предоставляет для этого удобное средство — два подпроцесса могут «общаться» друг с другом, используя методы wait и notify. Работать с параллельными подпроцессами в Java несложно. Язык предоставляет явный, тонко настраиваемый механизм управления созданием подпроцессов, переключения контекстов, приоритетов, синхронизации и обмена сообщениями между подпроцессами.
10.2. Подпроцесс
Класс Thread инкапсулирует все средства, которые могут вам потребоваться при работе с подпроцессами. При запуске Java-программы в ней уже есть один выполняющийся подпроцесс. Вы всегда можете выяснить, какой именно подпроцесс выполняется в данный момент, с помощью вызова статического метода Thread.currentThread(). После того, как вы получите ссылку подпроцесса, вы можете выполнять над этим подпроцессом различные операции даже в том случае, когда параллельные подпроцессы отсутствуют. В очередном нашем примере показано, как можно управлять выполняющимся в данный момент подпроцессом.
class CurrentThreadDemo {
public static void main(String args[]) {
Thread t = Thread.currentThread();
t.setName("Moй подпроцесс");
System.out. println("текущий подпроцесс: " +1);
try {
for (int n = 5; n > 0; n--) {
System.out.println(" " + n);
Thread.sleep(1000);
}
}
catch (InterruptedException e) {
System.out.println("interrupted");
}
}
В этом примере текущий подпроцесс хранится в локальной переменной t. Затем мы используем эту переменную для вызова метода setName, который изменяет внутреннее имя подпроцесса на «My Thread» с тем, чтобы вывод программы был удобочитаемым. На следующем шаге мы входим в цикл, в котором ведется обратный отсчет от 5, причем на каждой итерации с помощью вызова метода Thread.sleep() делается пауза длительностью в 1 секунду. Аргументом для этого метода является значение временного интервала в миллисекундах. Обратите внимание — цикл заключен в try/catch блок. Дело в том, что метод Thread.sleep() может возбуждать исключение InterruptedException. Это исключение возбуждается в том случае, если какому-либо другому подпроцессу понадобится прервать данный подпроцесс. В данном примере мы в такой ситуации просто выводим сообщение о перехвате исключения. Ниже приведен вывод этой программы:
С:> java CurrentThreadDemo
текущий подпроцесс: Thread[Moй подпроцесс,5,main]
5
4
3
2
1
Обратите внимание на то, что в текстовом представлении объекта Thread содержится заданное нами имя легковесного процесса — Мой подпроцесс. Число 5 — это приоритет подпроцесса, оно соответствует приоритету по умолчанию, «main» — имя группы подпроцессов, к которой принадлежит данный подпроцесс.
10.3. Интерфейс Runnable
Как можно создать еще один подпроцесс? Для этого нам понадобится другой экземпляр класса Thread. При создании нового объекта Thread ему нужно указать, какой программный код он должен выполнять. Вы можете запустить подпроцесс с помощью любого объекта, реализующего интерфейс Runnable. Для того чтобы реализовать этот интерфейс, класс должен предоставить определение метода run. Ниже приведен пример, в котором создается новый подпроцесс.
class ThreadDemo implements Runnable {
ThreadDemo() {
Thread ct = Thread.currentThread();
System.out.println("currentThread: " + ct);
Thread t = new Thread(this, "Demo Thread");
System.out.println("Thread created: " +1);
t.start();
try {
Thread.sleep(3000);
}
catch (InterruptedException e) {
System.out.println("прерывание");
}
System.out.println("Выход из main подпроцесса");
}
public void run() {
try {
for (int i = 5; i > 0; i--) {
System.out.println("" + i);
Thread.sleep(l000);
}
}
catch (InterruptedException e) {
System.out.println("child прерван");
}
System.out.println("Выход из child подпроцесса ");
}
public static void main(String args[]) {
new ThreadDemo();
}
}
Обратите внимание на то, что цикл внутри метода run выглядит точно так же, как и в предыдущем примере, только на этот раз он выполняется в другом подпроцессе. Подпроцесс main с помощью оператора new Thread(this, "Demo Thread") создает новый объект класса Thread, причем первый параметр конструктора — this — указывает, что мы хотим вызвать метод run текущего объекта. Затем мы вызываем метод start, который запускает подпроцесс, выполняющий метод run. После этого основной подпроцесс (main) переводится в состояние ожидания на три секунды, затем выводит сообщение и завершает работу. Второй подпроцесс — «Demo Thread» — при этом по-прежнему выполняет итерации в цикле метода run до тех пор, пока значение счетчика цикла не уменьшится до нуля. Ниже показано, как выглядит результат работы этой программы после того, как она отработает 5 секунд.
С:> java ThreadDemo
Thread created: Thread[Demo Thread,5,main]
5
4
3
Выход из main подпроцесса
2
1
Выход из child подпроцесса
10.4. Приоритеты подпроцессов
Если вы хотите добиться от Java предсказуемого, независимого от платформы поведения, вам следует проектировать свои подпроцессы таким образом, чтобы они по своей воле освобождали процессор. Ниже приведен пример с двумя подпроцессами с различными приоритетами, которые не ведут себя одинаково на различных платформах. Приоритет одного из подпроцессов с помощью вызова setPriority устанавливается на два уровня выше Thread. NORM_PRIORITY, то есть умалчиваемого приоритета. У другого подпроцесса приоритет, наоборот, на два уровня ниже. Оба этих подпроцесса запускаются и работают в течение 10 секунд. Каждый из них выполняет цикл, в котором увеличивается значение переменной-счетчика. Через десять секунд после их запуска основной подпроцесс останавливает их работу, присваивая условию завершения цикла while значение «true», и выводит значения счетчиков, показывающих, сколько итераций цикла успел выполнить каждый из подпроцессов.
class Clicker implements Runnable {
int click = 0;
private Thread t;
private boolean running = true;
public clicker(int p) {
t = new Thread(this);
t.setPriority(p);
}
public void run() {
while (running) {
click++;
}
}
public void stop() {
running = false;
}
public void start() {
t.start();
}
}
class HiLoPri {
public static void main(String args[]) {
Thread. currentThread(). setPriority(Thread.M AX_PRIORIT Y);
clicker hi = new clicker(Thread.NORM_PRIORITY + 2);
clicker lo = new clicker(Thread.NORM_PRIORITY - 2);
lo.start();
hi.start();
try {
Thread.sleep(l0000)
}
catch (Exception e) {}
lo.stop(); hi.stop();
System.out.println(lo.click +” vs.” + hi.click);
}
}
По значениям, фигурирующим в итоге, можно заключить, что подпроцессу с низким приоритетом достается меньше на 25 процентов времени процессора:
C:>java HiLoPri
304300 vs. 4066666
10.5. Синхронизация
Когда двум или более подпроцессам требуется параллельный доступ к одним и тем же данным (иначе говоря, к совместно используемому ресурсу), нужно позаботиться о том, чтобы в каждый конкретный момент времени доступ к этим данным предоставлялся только одному из подпроцессов. Java для такой синхронизации предоставляет уникальную, встроенную в язык программирования поддержку. У каждого Java-объекта есть связанный с ним неявный монитор, а для того чтобы войти в него, надо вызвать метод этого объекта, отмеченный ключевым словом synchronized. Для того чтобы выйти из монитора и тем самым передать управление объектом другому подпроцессу, владелец монитора должен всего лишь вернуться из синхронизованного метода. Если у вас есть метод (или целая группа методов), который манипулирует внутренним состоянием объекта, используемого в программе с параллельными подпроцессами, во избежание состояния гонки вам следует использовать в его заголовке ключевое слово synchronized.
В Java имеется элегантный механизм общения между подпроцессами, основанный на методах wait, notify и notifyAll. Эти методы реализованы как final- методы класса Object, так что они имеются в любом Java-Knacce. Все эти методы должны вызываться только из синхронизованных методов. Правила использования этих методов очень просты:
1. wait — приводит к тому, что текущий подпроцесс отдает управление и переходит в режим ожидания до тех пор пока другой подпроцесс не вызовет метод notify с тем же объектом;
2. notify — выводит из состояния ожидания первый из подпроцессов, вызвавших wait с данным объектом;
3. notifyAll — выводит из состояния ожидания все подпроцессы, вызвавшие wait с данным объектом.
10.6. Методы программного интерфейса легковесных процессов
Ниже приведена сводка всех методов класса Thread.
10.6.1. Методы класса
Методы класса — это статические методы, которые можно вызывать непосредственно с именем класса Thread.
1. currentThread - этот статический метод возвращает объект Thread, выполняющийся в данный момент;
2. yield - вызов метода приводит к тому, что исполняющая система переключает контекст с текущего на следующий доступный подпроцесс. Это один из способов гарантировать, что низкоприоритетные подпроцессы
3. когда-нибудь получат управление;
4. sleep(int n) - при вызове метода исполняющая система блокирует текущий подпроцесс на n миллисекунд. После того, как этот интервал времени закончится, подпроцесс снова будет способен выполняться. В большинстве исполняющих систем Java системные часы не позволяют точно выдерживать паузы короче, чем 10 миллисекунд. 10.6.2. Методы объекта
1. start - метод говорит исполняющей системе Java, что необходимо создать системный контекст подпроцесса и запустить этот подпроцесс. После вызова этого метода в новом контексте будет вызван метод run вновь созданного подпроцесса. Вам нужно помнить о том, что метод start с данным объектом можно вызвать только один раз;
2. run - этот метод содержит тело выполняющегося подпроцесса. Это единственный метод интерфейса Runnable. Он вызывается из метода start после того, как исполняющая среда выполнит необходимые операции по инициализации нового подпроцесса. Если происходит возврат из метода run, текущий подпроцесс останавливается;
3. stop - вызов метода приводит к немедленной остановке подпроцесса. Это способ мгновенно прекратить выполнение текущего подпроцесса, особенно если метод выполняется в текущем подпроцессе. В таком случае строка, следующая за вызовом метода stop, никогда не выполняется, поскольку контекст подпроцесса «умирает» до того, как метод stop возвратит управление. Более аккуратный способ остановить выполнение подпроцесса — установить значение какой-либо переменной-флага, предусмотрев в методе run код, который, проверив состояние флага, завершил бы выполнение подпроцесса;
4. setPriority(int р) - метод устанавливает приоритет подпроцесса, задаваемый целым значением, передаваемого методу параметра. В классе Thread есть несколько предопределенных приоритетов-констант: MINJPRIORITY, NORMPRIORITY и MAX PRIORITY, соответствующих значениям 1, 5 и 10. Большинство пользовательских приложений должно выполняться на уровне NORM PRIORITY плюс-минус 1. Приоритет фоновых заданий, например, сетевого ввода-вывода или перерисовки экрана следует устанавливать в MIN_PRIORITY. Запуск подпроцессов на уровне MAX_PRIORITY требует осторожности. Если в подпроцессах с таким уровнем приоритета отсутствуют вызовы sleep или yield, может оказаться, что вся исполняющая система Java перестанет реагировать на внешние раздражители;
5. getPriority - этот метод возвращает текущий приоритет подпроцесса — целое значение в диапазоне от 1 до 10;
setName(String name) - метод присваивает подпроцессу указанное в параметре имя. Это помогает при отладке программ с параллельными подпроцессами. Присвоенное с помощью setName имя будет появляться во всех трассировках стека, которые выводятся при получении интерпретатором неперехваченного исключения;
6. getName - метод возвращает строку с именем подпроцесса, установленным с помощью вызова setName.