Чем семафоры отличаются от других синхронизирующих объектов. Критические секции. Блокировка на заданный период времени

Разделы сайта

Выбор редакции:

Что же такое «синхронизация»? Вне области программирования под этим подразумевается некая настройка, позволяющая двум устройствам или программам работать совместно. Например, смартфон и компьютер можно синхронизировать с Google-аккаунтом, личный кабинет на сайте - с аккаунтами в социальных сетях, чтобы логиниться с их помощью. У синхронизации потоков похожий смысл: это настройка взаимодействия потоков между собой. В предыдущих лекциях наши потоки жили и работали обособленно друг от друга. Один что-то считал, второй спал, третий выводил что-то на консоль, но друг с другом они не взаимодействовали. В реальных программах такие ситуации редки. Несколько потоков могут активно работать, например, с одним и тем же набором данных и что-то в нем менять. Это создает проблемы. Представь, что несколько потоков записывают текст в одно и то же место - например, в текстовый файл или консоль. Этот файл или консоль в данном случае становится общим ресурсом. Потоки не знают о существовании друг друга, поэтому просто записывают все, что успеют за то время, которое планировщик потоков им выделит. В недавней лекции курса у нас был пример, к чему это приведет, давай его вспомним: Причина кроется в том, что потоки работали с общим ресурсом, консолью, не согласовывая действия друг с другом. Если планировщик потоков выделил время Потоку-1, тот моментально пишет все в консоль. Что там уже успели или не успели написать другие потоки - неважно. Результат, как видишь, плачевный. Поэтому в многопоточном программировании ввели специальное понятие мьютекс (от англ. «mutex», «mutual exclusion» - «взаимное исключение») . Задача мьютекса - обеспечить такой механизм, чтобы доступ к объекту в определенное время был только у одного потока. Если Поток-1 захватил мьютекс объекта А, остальные потоки не получат к нему доступ, чтобы что-то в нем менять. До тех пор, пока мьютекс объекта А не освободится, остальные потоки будут вынуждены ждать. Пример из жизни: представь, что ты и еще 10 незнакомых людей участвуете в тренинге. Вам нужно поочередно высказывать идеи и что-то обсуждать. Но, поскольку друг друга вы видите впервые, чтобы постоянно не перебивать друг друга и не скатываться в гвалт, вы используете правило c «говорящим мячиком»: говорить может только один человек - тот, у кого в руках мячик. Так дискуссия получается адекватной и плодотворной. Так вот, мьютекс, по сути, и есть такой мячик. Если мьютекс объекта находится в руках одного потока, другие потоки не смогут получить доступ к работе с этим объектом. Не нужно ничего делать, чтобы создать мьютекс: он уже встроен в класс Object , а значит, есть у каждого объекта в Java.

Как работает оператор synchronized

Давай познакомимся с новым ключевым словом - synchronized . Им помечается определенный кусок нашего кода. Если блок кода помечен ключевым словом synchronized , это значит, что блок может выполняться только одним потоком одновременно. Синхронизацию можно реализовать по-разному. Например, создать целый синхронизированный метод: public synchronized void doSomething () { //...логика метода } Или же написать блок кода, где синхронизация осуществляется по какому-то объекту: public class Main { private Object obj = new Object () ; public void doSomething () { synchronized (obj) { } } } Смысл прост. Если один поток зашел внутрь блока кода, который помечен словом synchronized , он моментально захватывает мьютекс объекта, и все другие потоки, которые попытаются зайти в этот же блок или метод вынуждены ждать, пока предыдущий поток не завершит свою работу и не освободит монитор. Кстати! В лекциях курса ты уже видел примеры synchronized , но они выглядели иначе: public void swap () { synchronized (this ) { //...логика метода } } Тема для тебя новая, и путаница с синтаксисом, само собой, первое время будет. Поэтому запомни сразу, чтобы не путаться потом в способах написания. Эти два способа записи означают одно и то же: public void swap () { synchronized (this ) { //...логика метода } } public synchronized void swap () { } } В первом случае создаешь синхронизированный блок кода сразу же при входе в метод. Он синхронизируется по объекту this , то есть по текущему объекту. А во втором примере вешаешь слово synchronized на весь метод. Тут уже нет нужды явно указывать какой-то объект, по которому осуществляется синхронизация. Раз словом помечен целый метод, этот метод автоматически будет синхронизированным для всех объектов класса. Не будем углубляться в рассуждения, какой способ лучше. Пока выбирай то, что больше нравится:) Главное - помни: объявить метод синхронизированным можно только тогда, когда вся логика внутри него выполняется одним потоком одновременно. Например, в этом случае сделать метод doSomething() синхронизированным будет ошибкой: public class Main { private Object obj = new Object () ; public void doSomething () { //...какая-то логика, доступная для всех потоков synchronized (obj) { //логика, которая одновременно доступна только для одного потока } } } Как видишь, кусочек метода содержит логику, для которой синхронизация не обязательна. Код в нем могут выполнять несколько потоков одновременно, а все критически важные места выделены в отдельный блок synchronized . И еще один момент. Давай рассмотрим «под микроскопом» наш пример из лекции с обменом именами: public void swap () { synchronized (this ) { //...логика метода } } Обрати внимание: синхронизация проводится по this . То есть по конкретному объекту MyClass . Представь, что у нас есть 2 потока (Thread-1 и Thread-2) и всего один объект MyClass myClass . В этом случае, если Thread-1 вызовет метод myClass.swap() , мьютекс объекта будет занят, и Thread-2 при попытке вызвать myClass.swap() повиснет в ожидании, когда мьютекс освободится. Если же у нас будет 2 потока и 2 объекта MyClass - myClass1 и myClass2 - на разных объектах наши потоки спокойно смогут одновременно выполнять синхронизированные методы. Первый поток выполняет: myClass1. swap () ; Второй выполняет: myClass2. swap () ; В этом случае ключевое слово synchronized внутри метода swap() не повлияет на работу программы, поскольку синхронизация осуществляется по конкретному объекту. А в последнем случае объектов у нас 2. Поэтому потоки не создают друг другу проблем. Ведь у двух объектов есть 2 разных мьютекса, и их захват не зависит друг от друга .

Особенности синхронизации в статических методах

А что делать, если нужно синхронизировать статический метод ? class MyClass { private static String name1 = "Оля" ; private static String name2 = "Лена" ; public static synchronized void swap () { String s = name1; name1 = name2; name2 = s; } } Непонятно, что будет выполнять роль мьютекса в этом случае. Ведь мы уже определились, что у каждого объекта есть мьютекс. Но проблема в том, что для вызова статического метода MyClass.swap() нам не нужны объекты: метод-то статический! И что дальше? :/ На самом деле, проблемы в этом нет. Создатели Java обо всем позаботились:) Если метод, в котором содержится критически важная «многопоточная» логика, статический, синхронизация будет осуществляться по классу. Для большей ясности, приведенный выше код можно переписать так: class MyClass { private static String name1 = "Оля" ; private static String name2 = "Лена" ; public static void swap () { synchronized (MyClass. class ) { String s = name1; name1 = name2; name2 = s; } } } В принципе, ты мог до этого додуматься самостоятельно: раз объектов нет, значит механизм синхронизации должен быть как-то «зашит» в сами классы. Так оно и есть: по классам тоже можно синхронизироваться.
Аплет Rectangles
Исходные тексты
Описание текстов

Синхронизация потоков

Многопоточный режим работы открывает новые возможности для программистов, однако за эти возможности приходится расплачиваться усложнением процесса проектирования приложения и отладки. Основная трудность, с которой сталкиваются программисты, никогда не создававшие ранее многопоточные приложения, это синхронизация одновременно работающих потоков.

Для чего и когда она нужна?

Однопоточная программа, такая, например, как программа MS-DOS, при запуске получает в монопольное распоряжение все ресурсы компьютера. Так как в однопоточной системе существует только один процесс, он использует эти ресурсы в той последовательности, которая соответствует логике работы программы. Процессы и потоки, работающие одновременно в многопоточной системе, могут пытаться обращаться одновременно к одним и тем же ресурсам, что может привести к неправильной работе приложений.

Поясним это на простом примере.

Пусть мы создаем программу, выполняющую операции с банковским счетом. Операция снятия некоторой суммы денег со счета может происходить в следующей последовательности:

на первом шаге проверяется общая сумма денег, которая хранится на счету;
если общая сумма равна или превышает размер снимаемой суммы денег, общая сумма уменьшается на необходимую величину;
значение остатка записывается на текущий счет.

Если операция уменьшения текущего счета выполняется в однопоточной системе, то никаких проблем не возникнет. Однако представим себе, что два процесса пытаются одновременно выполнить только что описанную операцию с одним и тем же счетом. Пусть при этом на счету находится 5 млн. долларов, а оба процесса пытаются снять с него по 3 млн. долларов.

Допустим, события разворачиваются следующим образом:

первый процесс проверяет состояние текущего счета и убеждается, что на нем хранится 5 млн. долларов;
второй процесс проверяет состояние текущего счета и также убеждается, что на нем хранится 5 млн. долларов;
первый процесс уменьшает счет на 3 млн. долларов и записывает остаток (2 млн. долларов) на текущий счет;
второй процесс выполняет ту же самую операцию, так как после проверки считает, что на счету по-прежнему хранится 5 млн. долларов.

В результате получилось, что со счета, на котором находилось 5 млн. долларов, было снято 6 млн. долларов, и при этом там осталось еще 2 млн. долларов! Итого - банку нанесен ущерб в 3 млн. долларов.

Как же составить программу уменьшения счета, чтобы она не позволяла вытворять подобное?

Очень просто - на время выполнения операций над счетом одним процессом необходимо запретить доступ к этому счету со стороны других процессов. В этом случае сценарий работы программы должен быть следующим:

процесс блокирует счет для выполнения операций другими процессами, получая его в монопольное владение;
процесс проводит процедуру уменьшения счета и записывает на текущий счет новое значение остатка;
процесс разблокирует счет, разрешая другим процессам выполнение операций.

Когда первый процесс блокирует счет, он становится недоступен другим процессам. Если второй процесс также попытается заблокировать этот же счет, он будет переведен в состояние ожидания. Когда первый процесс уменьшит счет и на нем останется 2 млн. долларов, второй процесс будет разблокирован. Он проверит остаток, убедится, что сумма недостаточна и не будет проводить операцию.

Таким образом, в многопоточной среде необходима синхронизация потоков при обращении к критическим ресурсам. Если над такими ресурсами будут выполняться операции в неправильной последовательности, это приведет к возникновению трудно обнаруживаемых ошибок.

В языке программирования Java предусмотрено несколько средств для синхронизации потоков, которые мы сейчас рассмотрим.

Синхронизация методов

Возможность синхронизации как бы встроена в каждый объект, создаваемый приложением Java. Для этого объекты снабжаются защелками, которые могут быть использованы для блокировки потоков, обращающихся к этим объектам.

Чтобы воспользоваться защелками, вы можете объявить соответствующий метод как synchronized, сделав его синхронизированным:

public synchronized void decrement() { . . . }

При вызове синхронизированного метода соответствующий ему объект (в котором он определен) блокируется для использования другими синхронизированными методами. В результате предотвращается одновременная запись двумя методами значений в область памяти, принадлежащую данному объекту.

Использование синхронизированных методов - достаточно простой способ синхронизации потоков, обращающихся к общим критическим ресурсам, наподобие описанного выше банковского счета.

Заметим, что не обязательно синхронизовать весь метод - можно выполнить синхронизацию только критичного фрагмента кода.

. . . synchronized(Account) { if(Account.check(3000000)) Account.decrement(3000000); } . . .

Здесь синхронизация выполняется для объекта Account.

Блокировка потока

Синхронизированный поток, определенный как метод типа synchronized, может переходить в заблокированное состояние автоматически при попытке обращения к ресурсу, занятому другим синхронизированным методом, либо при выполнении некоторых операций ввода или вывода. Однако в ряде случаев полезно иметь более тонкие средства синхронизации, допускающие явное использование по запросу приложения.

Блокировка на заданный период времени

С помощью метода sleep можно заблокировать поток на заданный период времени:

try { Thread.sleep(500); } catch (InterruptedException ee) { . . . }

В данном примере работа потока Thread приостанавливается на 500 миллисекунд. Заметим, что во время ожидания приостановленный поток не отнимает ресурсы процессора.

Так как метод sleep может создавать исключение InterruptedException, необходимо предусмотреть его обработку. Для этого мы использовали операторы try и catch.

Временная приостановка и возобновление работы

Методы suspend и resume позволяют, соответственно, временно приостанавливать и возобновлять работу потока.

В следующем фрагменте кода поток m_Rectangles приостанавливает свою работу, когда курсор мыши оказывается над окном аплета:

public boolean mouseEnter(Event evt, int x, int y) { if (m_Rectangles != null) { m_Rectangles.suspend(); } return true; }

Работа потока возобновляется, когда курсор мыши покидает окно аплета:

public boolean mouseExit(Event evt, int x, int y) { if (m_Rectangles != null) { m_Rectangles.resume(); } return true; }

Ожидание извещения

Если вам нужно организовать взаимодействие потоков таким образом, чтобы один поток управлял работой другого или других потоков, вы можете воспользоваться методами wait, notify и notifyAll, определенными в классе Object.

Метод wait может использоваться либо с параметром, либо без параметра. Этот метод переводит поток в состояние ожидания, в котором он будет находиться до тех пор, пока для потока не будет вызван извещающий метод notify, notifyAll, или пока не истечет период времени, указанный в параметре метода wait.

Как пользоваться методами wait, notify и notifyAll?

Метод, который будет переводиться в состояние ожидания, должен быть синхронизированным, то есть его следует описать как synchronized:

public synchronized void run() { while (true) { . . . try { this.wait(); } catch (InterruptedException e) { } } }

В этом примере внутри метода run определен цикл, вызывающий метод wait без параметров. Каждый раз при очередном проходе цикла метод run переводится в состояние ожидания до тех пор, пока другой поток не выполнит извещение с помощью метода notify.

Ниже мы привели пример потока, вызывающией метод notify:

public void run() { while (true) { try { Thread.sleep(30); } catch (InterruptedException e) { } synchronized(STask) { STask.notify(); } } }

Этот поток реализован в рамках отдельного класса, конструктору которого передается ссылка на поток, вызывающую метод wait. Эта ссылка хранится в поле STask.

Обратите внимание, что хотя сам метод run не синхронизированный, вызов метода notify выполняется в синхронизированном режиме. В качестве объекта синхронизации выступает поток, для которого вызывается метод notify.

Ожидание завершения потока

С помощью метода join вы можете выполнять ожидание завершения работы потока, для которой этот метод вызван.

Существует три определения метода join:

public final void join(); public final void join(long millis); public final void join(long millis, int nanos);

Первый из них выполняет ожидание без ограничения во времени, для второго ожидание будет прервано принудительно через millis миллисекунд, а для третьего - через millis миллисекунд и nanos наносекунд. Учтите, что реально вы не сможете указывать время с точностью до наносекунд, так как дискретность системного таймера компьютера намного больше.

Потоки могут находиться в одном из нескольких состояний:

Ready (готов) – находящийся в пуле (pool) потоков, ожидающих выполнения;

Running (выполнение) - выполняющийся на процессоре;

Waiting (ожидание), также называется idle или suspended, приостановленный - в состоянии ожидания, которое завершается тем, что поток начинает выполняться (состояние Running) или переходит в состояние Ready ;

Terminated (завершение) - завершено выполнение всех команд потока. Впоследствии его можно удалить. Если поток не удален, система может вновь установить его в исходное состояние для последующего использования.

Синхронизация потоков

Выполняющимся потокам часто необходимо каким-то образом взаимодействовать. Например, если несколько потоков пытаются получить доступ к некоторым глобальным данным, то каждому потоку нужно предохранять данные от изменения другим потоком. Иногда одному потоку нужно получить информацию о том, когда другой поток завершит выполнение задачи. Такое взаимодействие обязательно между потоками как одного, так и разных процессов.

Синхронизация потоков (thread synchronization ) - это обобщенный термин, относящийся к процессу взаимодействия и взаимосвязи потоков. Учтите, что синхронизация потоков требует привлечения в качестве посредника самой операционной системы. Потоки не могут взаимодействовать друг с другом без ее участия.

В Win32 существует несколько методов синхронизации потоков. Бывает, что в конкретной ситуаций один метод более предпочтителен, чем другой. Давайте вкратце ознакомимся с этими методами.

Критические секции

Один из методов синхронизации потоков состоит в использовании критических секций (critical sections). Это единственный метод синхронизации потоков, который не требует привлечения ядра Windows. (Критическая секция не является объектом ядра). Однако этот метод может использоваться только для синхронизации потоков одного процесса.

Критическая секция - это некоторый участок кода, который в каждый момент времени может выполняться только одним из потоков. Если код, используемый для инициализации массива, поместить в критическую секцию, то другие потоки не смогут войти в этот участок кода до тех пор, пока первый поток не завершит его выполнение.

До использования критической секции необходимо инициализировать ее с помощью процедуры Win32 API InitializeCriticalSection(), которая определяется (в Delphi) следующим образом:

procedure InitializeCriticalSection(var IpCriticalSection: TRTLCriticalSection); stdcall;

Параметр IpCriticalSection представляет собой запись типа TRTLCriticalSection, которая передается по ссылке. Точное определение записи TRTLCriticalSection не имеет большого значения, поскольку вам вряд ли понадобится когда-либо заглядывать в ее содержимое. От вас требуется лишь передать неинициализированную запись в параметр IpCtitical Section, и эта запись будет тут же заполнена процедурой.

После заполнения записи в программе можно создать критическую секцию, поместив некоторый участок ее текста между вызовами функций EnterCriticalSection() и LeaveCriticalSection(). Эти процедуры определяются следующим образом:

procedure EnterCriticalSection(var IpCriticalSection: TRTLCriticalSection); stdcall;

procedure LeaveCriticalSection(var IpCriticalSection: TRTLCriticalSection); stdcall;

Параметр IpCriticalSection, который передается этим процедурам, является не чем иным, как записью, созданной процедурой InitializeCriticalSection().

Функция EnterCriticalSection проверяет, не выполняет ли уже какой-нибудь другой поток критическую секцию своей программы, связанную с данным объектом критической секции. Если нет, поток получает разрешение на выполнение своего критического кода, точнее, ему не запрещают это делать. Если да, то поток, обратившийся с запросом, переводится в состояние ожидания, а о запросе делается запись. Так как нужно создавать записи, объект «критическая секция» представляет собой структуру данных.

Когда функция LeaveCriticalSection вызывается потоком, который владеет в текущий момент разрешением на выполнение своей критической секции кода, связанной с данным объектом «критическая секция», система может проверить, нет ли в очереди другого потока, ожидающего освобождения этого объекта. Затем система может вынести ждущий поток из состояния ожидания, и он продолжит свою работу (в выделенные ему кванты времени).

По окончании работы с записью TRTLCriticalSection необходимо освободить ее, вызвав процедуру DeleteCriticalSection(), которая определяется следующим образом:

procedure DeleteCriticalSection(var IpCriticalSection: TRTLCriticalSection); stdcall;

Этот синхронизирующий объект может использоваться только локально внутри процесса, создавшего его. Остальные объекты могут быть использованы для синхронизации потоков разных процессов. Название объекта “критическая секция” связано с некоторым абстрактным выделением части программного кода (секции), выполняющего некоторые операции, порядок которых не может быть нарушен. То есть попытка двумя разными потоками одновременно выполнять код этой секции приведет к ошибке.

Например, такой секцией может быть удобно защитить функции-писатели, так как одновременный доступ нескольких писателей должен быть исключен.

Для критической секции вводят две операции:

войти в секцию; Пока какой-либо поток находится в критической секции, все остальные потоки при попытке войти в нее будут автоматически останавливаться в ожидании. Поток, уже вошедший в эту секцию, может входить в нее многократно, не ожидая ее освобождения.

покинуть секцию; При покидании потоком секции уменьшается счетчик числа вхождений этого потока в секцию, так что секция будет освобождена для других потоков только если поток выйдет из секции столько раз, сколько раз в нее входил. При освобождении критической секции будет пробужден только один поток, ожидающий разрешения на вход в эту секцию.

Вообще говоря, в других API, отличных от Win32 (например, OS/2), критическая секция рассматривается не как синхронизирующий объект, а как фрагмент кода программы, который может исполняться только одним потоком приложения. То есть вход в критическую секцию рассматривается как временное выключение механизма переключения потоков до выхода из этой секции. В Win32 API критические секции рассматриваются как объекты, что приводит к определенной путанице -- они очень близки по своим свойствам к неименованным объектам исключительного владения (mutex , см. ниже).

При использовании критических секций надо следить, что бы в секции не выделялись чересчур большие фрагменты кода, так как это может привести к существенным задержкам в выполнении других потоков.

Например, применительно к уже рассмотренным кучам -- не имеет смысла все функции по работе с кучей защищать критической секцией, так как функции-читатели могут выполняться параллельно. Более того, применение критической секции даже для синхронизации писателей на самом деле представляется малоудобным -- так как для синхронизации писателя с читателями последним все-равно придется входить в эту секцию, что практически приводит к защите всех функций единой секцией.

Можно выделить несколько случаев эффективного применения критических секций:

читатели не конфликтуют с писателями (защищать надо только писателей);

все потоки имеют примерно равные права доступа (скажем, нельзя выделить чистых писателей и читателей);

при построении составных синхронизирующих объектов, состоящих из нескольких стандартных, для защиты последовательных операций над составным объектом.

В операционной системе Windows поддерживаются четыре типа объекта синхронизации.

Первый тип представляет собой классический семафор и может быть использован для управления доступом к определенным ресурсам ограниченного количества потоков. Разделяемый ресурс в этом случае может быть использован одним, и только одним потоком, либо некоторым числом потоков из множества претендующих на этот ресурс. Семафоры реализуются как простые счетчики, значения которых увеличиваются, когда поток освобождает семафор, и уменьшаются, когда поток занимает семафор.
Второй тип объектов синхронизации называется исключающим семафором (mutex). Исключающие семафоры применяются для разделения ресурсов таким образом, что в любой момент времени их может использовать один и только один поток. Очевидно, что исключающий семафор представляет собой специальный тип обычного семафора.
Третий тип объектов синхронизации - это событие (event). События могут служить для блокировки доступа к ресурсу до тех пор, пока другой поток не сигнализирует об его освобождении.
Четвертый тип объектов синхронизации представляет собой критическую секцию (critical section). При вхождении потока в критическую секцию никакой другой поток не может начать ее выполнение до того, как работающий с ней поток не выйдет из нее.

Следует отметить, что синхронизация потоков с помощью критических секций может осуществляться только в рамках одного процесса, так как невозможно передать адрес критической секции из одного процесса в другой, так как критическая секция располагается в области глобальных переменных запущенного процесса.

Семафор создается с помощью функции CreateSemaphore. Количество задач, одновременно имеющих доступ к некоторому ресурсу, определяется одним из параметров функции. Если значение этой функции равно 1, то семафор работает как исключающий. При успешном создании семафора возвращается его дескриптор, в противном случае - null. Функция WaitForSingleObject обеспечивает режим ожидания семафора. Один из параметров указывает время его ожидания в миллисекундах. Если значение этого параметра равно INFINITE, то время ожидания неопределено. При успешном завершении функции значение счетчика, связанного с семафором, уменьшается не единицу. Функция ReleaseSemaphore() освобождает семафор, позволяя использовать его другому потоку.

Исключающий семафор mutex создается с помощью функции CreateMutex(), которая возвращает идентификатор созданного объекта или null в случае ошибки. В случае необходимости объект освобождается с помощью универсальной функции CloseHandle(). Зная имя объекта mutex, его можно открыть с помощью функции OpenMutex(). С помощью этой функции несколько потоков могут открыть один и тот же объект, а затем одновременно выполнить его ожидание. После того, как имя объекта стало известно потоку, он может им завладеть, используя функции WaitForSingleObject или WaitForMultipleObjects. Освобождение объекта mutex осуществляется с помощью функции ReleaseMutex().

Событие создается с помощью функции CreateEvent. Она возвращает дескриптор созданного события или null в случае неуспешного завершения. После создании события поток просто ожидает его наступления используя функцию WaitForSingleObject, задавая в качестве первого параметра для нее дескриптор этого события. Тем самым выполнение потока приостанавливается до наступления соответствующего события. После вызова функции SetEvent процесс, ожидающий данного события с помощью функции WaitForSingleObject, продолжит свое выполнение. Событие может быть сброшено с помощью функции ResetEvent.

Читайте:

Да уж, теперь не разгонишься Презентация на тему ""Уроки французского" В Названия, описания и особенности зимующих птиц Разговорный стиль речи Порядок слов в предложении свободный Сочинение рассуждение на тему деньги Какое значение имеют деньги в жизни человека

Читайте: