Н.А. Вязовик - Программирование на Java
Опасность возникновения взаимных блокировок заставляет с особенным вниманием относиться к работе с потоками. Например, важно помнить, что если у объекта потока был вызван метод sleep(..), то такой поток будет бездействовать определенное время, но при этом все заблокированные им объекты будут оставаться недоступными для блокировок со стороны других потоков, а это потенциальный deadlock. Такие ситуации крайне сложно выявить путем тестирования и отладки, поэтому вопросам синхронизации надо уделять много времени на этапе проектирования.
Методы wait(), notify(), notifyAll() класса Object
Наконец, перейдем к рассмотрению трех методов класса Object, завершая описание механизмов поддержки многопоточности в Java.
Каждый объект в Java имеет не только блокировку для synchronized блоков и методов, но и так называемый wait-set, набор потоков исполнения. Любой поток может вызвать метод wait() любого объекта и таким образом попасть в его wait-set. При этом выполнение такого потока приостанавливается до тех пор, пока другой поток не вызовет у этого же объекта метод notifyAll(), который пробуждает все потоки из wait-set. Метод notify() пробуждает один случайно выбранный поток из данного набора.
Однако применение этих методов связано с одним важным ограничением. Любой из них может быть вызван потоком у объекта только после установления блокировки на этот объект. То есть либо внутри synchronized -блока с ссылкой на этот объект в качестве аргумента, либо обращения к методам должны быть в синхронизированных методах класса самого объекта. Рассмотрим пример:
public class WaitThread implements Runnable {
private Object shared;
public WaitThread(Object o) {
shared=o;
}
public void run() {
synchronized (shared) {
try {
shared.wait();
}
catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println("after wait");
}
}
public static void main(String s[]) {
Object o = new Object();
WaitThread w = new WaitThread(o);
new Thread(w).start();
try {
Thread.sleep(100);
}
catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println("before notify");
synchronized (o) {
o.notifyAll();
}
}
}
Результатом программы будет:
before notify
after wait
Обратите внимание, что метод wait(), как и sleep(), требует обработки InterruptedException, то есть его выполнение также можно прервать методом interrupt().
В заключение рассмотрим более сложный пример для трех потоков:
public class ThreadTest implements Runnable {
final static private Object shared=new Object();
private int type;
public ThreadTest(int i) {
type=i;
}
public void run() {
if (type==1 || type==2) {
synchronized (shared) {
try {
shared.wait();
}
catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println("Thread "+type+" after wait()");
}
}
else {
synchronized (shared) {
shared.notifyAll();
System.out.println("Thread "+type+" after notifyAll()");
}
}
}
public static void main(String s[]) {
ThreadTest w1 = new ThreadTest(1);
new Thread(w1).start();
try {
Thread.sleep(100);
}
catch (InterruptedException e) {
}
ThreadTest w2 = new ThreadTest(2);
new Thread(w2).start();
try {
Thread.sleep(100);
}
catch (InterruptedException e) {
}
ThreadTest w3 = new ThreadTest(3);
new Thread(w3).start();
}
}
Пример 12.5.
Результатом работы программы будет:
Thread 3 after notifyAll()
Thread 1 after wait()
Thread 2 after wait()
Пример 12.6.
Рассмотрим, что произошло. Во-первых, был запущен поток 1, который тут же вызвал метод wait() и приостановил свое выполнение. Затем то же самое произошло с потоком 2. Далее начинает выполняться поток 3.
Сразу обращает на себя внимание следующий факт. Еще поток 1 вошел в synchronized -блок, а стало быть, установил блокировку на объект shared. Но, судя по результатам, это не помешало и потоку 2 зайти в synchronized -блок, а затем и потоку 3. Причем, для последнего это просто необходимо, иначе как можно "разбудить" потоки 1 и 2?
Можно сделать вывод, что потоки, прежде чем приостановить выполнение после вызова метода wait(), отпускают все занятые блокировки. Итак, вызывается метод notifyAll(). Как уже было сказано, все потоки из wait-set возобновляют свою работу. Однако чтобы корректно продолжить исполнение, необходимо вернуть блокировку на объект, ведь следующая команда также находится внутри synchronized -блока!
Получается, что даже после вызова notifyAll() все потоки не могут сразу возобновить работу. Лишь один из них сможет вернуть себе блокировку и продолжить работу. Когда он покинет свой synchronized -блок и отпустит объект, второй поток возобновит свою работу, и так далее. Если по какой-то причине объект так и не будет освобожден, поток так никогда и не выйдет из метода wait(), даже если будет вызван метод notifyAll(). В рассмотренном примере потоки один за другим смогли возобновить свою работу.
Кроме того, определен метод wait() с параметром, который задает период тайм-аута, по истечении которого поток сам попытается возобновить свою работу. Но начать ему придется все равно с повторного получения блокировки.
Заключение
В этой лекции были рассмотрены принципы построения многопоточного приложения. В начале разбирались достоинства и недостатки такой архитектуры – как правило ОС не выделяет отдельный процессор под каждый процесс, а значит применяется процедура time slicing. Было выделено три признака, указывающие на целесообразность запуска нескольких потоков в рамках программы.
Основу работы с потоками в Java составляют интерфейс Runnable и класс Thread. С их помощью можно запускать и останавливать потоки, менять их свойства, среди которых основные: приоритет и свойство daemon. Главная проблема, возникающая в таких программах - одновременный доступ нескольких потоков к одним и тем же данным, в первую очередь -– к полям объектов. Для понимания, как в Java решается эта задача, был сделан краткий обзор по организации памяти в JVM, работы с переменными и блокировками. Блокировки, несмотря на название, сами по себе не ограничивают доступ к переменной. Программист использует их через ключевое слово synchronized, которое может быть указано в сигнатуре метода или в начале блока. В результате выполнение не будет продолжено, пока блокировка не освободится.
Новый механизм порождает новую проблему - взаимные блокировки (deadlock), к которой программист всегда должен быть готов, тем более, что Java не имеет встроенных средств для определения такой ситуации. В лекции разбирался пример, как организовать работу программы без "зависания" ожидающих потоков.
В завершение рассматривались специализированные методы базового класса Object, которые также позволяют управлять последовательностью работы потоков.
13. Лекция: Пакет java.lang
В этой лекции рассматривается основная библиотека Java – java.lang. В ней содержатся классы Object и Class, классы-обертки для примитивных типов, класс Math, классы для работы со строками String и StringBuffer, системные классы System, Runtime и другие. В этом же пакете находятся типы, уже рассматривавшиеся ранее,– для работы с исключительными ситуациями и потоками исполнения.
Введение
В состав пакета java.lang входят классы, составляющие основу для всех других, и поэтому он является наиболее важным из всех, входящих в Java API. Поскольку без него не может обойтись ни один класс, каждый модуль компиляции содержит неявное импортирование этого пакета ( import java.lang.*; ).
Перечислим классы, составляющие основу пакета.
Object – является корневым в иерархии классов.
Class – экземпляры этого класса являются описаниями объектных типов в памяти JVM.
String – представляет собой символьную строку, содержит средства работы с нею.
StringBuffer – используется для работы (создания) строк.
Number – абстрактный класс, являющийся суперклассом для классов-объектных оберток числовых примитивных типов Java.
Character – объектная обертка для типа char.
Boolean – объектная обертка для типа boolean.
Math – реализует набор базовых математических функций.
Throwable – базовый класс для объектов, представляющих исключения. Любое исключение, которое может быть брошено и, соответственно, перехвачено блоком catch, должно быть унаследовано от Throwable.
Thread – позволяет запускать и работать с потоками выполнения в Java. Runnable – может использоваться в сочетании с классом Thread для описания потоков выполнения.
ThreadGroup – позволяет объединять потоки в группу и производить действия сразу над всеми потоками в ней. Существуют ограничения по безопасности на манипуляции с потоками из других групп.
System – содержит полезные поля и методы для работы системного уровня.
Runtime – позволяет приложению взаимодействовать с окружением, в котором оно запущено.
Process – представляет интерфейс к внешней программе, запущенной при помощи Runtime.
ClassLoader – отвечает за загрузку описания классов в память JVM.
SecurityManager – для обеспечения безопасности накладывает ограничения на данную среду выполнения программ.
Compiler – используется для поддержки Just-in-Time компиляторов.
Интерфейсы:
Cloneable – должен быть реализован объектами, которые планируется клонировать с помощью средств JVM;
Comparable – позволяет упорядочивать (сортировать, сравнивать) объекты каждого класса, реализующего этот интерфейс.
