Потоки выполнения. Синхронизация

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();
   }
}

Результатом работы программы будет:

Thread 3 after notifyAll()
Thread 1 after wait()
Thread 2 after wait()

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.