Concurrent Programming - Threads

Java language natively supports threads, which are several sequences of instructions running in parallel, but belonging to the same application. An example would be a server which accepts and manages several connections at the same time. There are two ways of implementing a thread:

• by extending class java.lang.Thread;
• by implementing interface java.lang.Runnable.

Class Thread as well as interface Runnable define a method called run(). This method is the start point of the new thread, just like public static void main(String[]) for the main thread. This method run() can be called in two ways:

• directly calling it, in which case it is ran on the same thread, as normal method;
• calling method start(), which starts a new thread and starts executing method run() in parallel.

public class PrintThread extends Thread{

    private int index;

public PrintThread(int _index){
    index = _index;
}

public void run(){
    for(int i=0; i<5; i++){
        System.out.println("This is thread " + index);
        try{
            //pause for 0.5 seconds (500 ms)
            Thread.sleep(500);
        }catch(InterruptedException _ie){
            System.out.println(_ie.getMessage());
        }
    }
}

}

This is the normal call of method run(). The program will first display the test on thread 1 five times, then the one on thread 2 five times, then the one on thread 3, etc:

public class NormalStarter{

public static void main(String[] _args){
    for(int i=0; i<5; i++){
        PrintThread _thread = new PrintThread(i + 1);
        _thread.run();
    }
}

}

This is the behavior when calling start(). The program will display texts from all threads at the same time:

public class ThreadStarter{

public static void main(String[] _args){
    for(int i=0; i<5; i++){
        PrintThread _thread = new PrintThread(i + 1);
        _thread.start();
    }
}

}

Same thing by using the Runnable interface:

public class PrintRunnable implements Runnable{

    private int index;

public PrintRunnable(int _index){
    index = _index;
}

public void run(){
    for(int i=0; i<10; i++){
        System.out.println("This is thread " + index);
        try{
            //pause for 1 second (1000 ms)
            Thread.sleep(1000);
        }catch(InterruptedException _ie){
            System.out.println(_ie.getMessage());
        }
    }
}

}

public class ThreadStarterRunnable{

public static void main(String[] _args){
    for(int i=0; i<5; i++){
        // polymorphism: PrintRunnable is a Runnable
        Runnable _runnable = new PrintRunnable(i + 1);

        PrintThread _thread = new Thread(_runnable);
        _thread.start();
    }
}

}

Synchronizing Threads - Semaphore

Există situații, în aplicații multithread-ed, în care mai multe thread-uri accesează aceeași resursă. În unele din aceste situații, dacă unele metode sau zone de program ale acestor resurse comune sunt accesate de mai multe thread-uri în același timp, pot apărea condiții limită care duc la un comportament incorect al aplicației. Aceste zone trebuie să fie executate atomic, adică în timpul execuției lor, nici un alt thread nu trebuie să întrerupă thread-ul curent sau să execute aceeași bucată de cod.

În mașina virtuală, acest lucru se realizează cu ajutorul unui sistem de monitoare. Monitorul este un câmp ascuns definit în clasa Object (astfel încât orice obiect poate fi folosit pe post de monitor) care contorizează thread-urile care accesează una sau mai multe bucăți de program. Aceste bucăți de program se numesc sincronizate. Dacă un thread urmează să intre într-o zonă sincronizată, atunci mașina virtuală verifică dacă monitorul e liber, adică dacă nici un alt thread nu execută instrucțiuni din vreo zonă sincronizată de acel monitor. Dacă monitorul e ocupat (adică dacă alt thread îl deține), arunci thread-ul curent se oprește, așteptând eliberarea lui. Dacă este liber, atunci thread-ul curent îl ocupă, începând execuția codului.

În Java, cuvântul cheie pentru sincronizarea unei bucăți de cod este synchronized.

public class Stack{

    public static final int MAX_STACK_SIZE = 128;
    
    private Object[] stack;
    private int stackTop;

public Stack(){
    this(MAX_STACK_SIZE);
}

public Stack(int _maxSize){
    stack = new Object[_maxSize];
    stackTop = 0;
}

public synchronized boolean empty(){
    return stackTop == 0;
}

public synchronized boolean full(){
    return stackTop == stack.length;
}


public Object pop() throws Exception{
    synchronized(this){
        if(!empty()){
            return stack[--stackTop];
        }
    }

    throw new Exception("Stack empty");
}

public void push(Object _obj) throws Exception{
    synchronized(this){
        if(!full()){
            stack[stackTop++] = _obj;
        }
    }

    throw new Exception("Stack full");
}

}

În exemplul de mai sus, dacă două thread-uri apelează în același timp metodele push(Object) și pop(), atunci, dacă acestea nu ar fi sincronizate, ar putea apărea situații în care contorul stackTop ar putea fi incrementat de un thread, apoi decrementat de al doilea înainte ca primul să efectueze scrierea în vectorul stack. Dar folosind cuvântul cheie syncronized, ne-am asigurat că nici una din metodele declarate astfel și nici una din bucățile de program sincronizate nu vor fi executate în același timp de thread-uri diferite.

Regulă: O clasă nu poate executa o porțiune de program sincronizată al cărei monitor aparține altui thread DAR poate executa o metodă sincronizată de un monitor care îi aparține. Ca exemplu, zona sincronizată din metoda push(Object) apelează metoda full() care este la rândul ei sincronizată.

Dacă o metodă este declarată synchronized, acest lucru este echivalent cu a declara tot conținutul metodei într-un bloc synchronized(this). Altfel spus, o metodă declarată synchronized este automat sincronizată folosind ca monitor obiectul curent.

Dacă o metodă statică este declarată synchronized, acest lucru este echivalent cu a declara tot conținutul metodei într-un bloc synchronized(<nume_clasa>.class). Altfel spus, o metodă declarată synchronized este automat sincronizată folosind ca monitor obiectul de tip Class asociat clasei:

public class StaticSync{

public static synchronized void printSmth(){
    System.out.println("Smth");
}

public static void printSmthElse(){
    synchronized(StaticSync.class){
        System.out.println("SmthElse");
    }
}

}

Race conditions - bariera

În exemplul anterior, dacă considerăm două thread-uri, unul care pune elemente pe stivă și unul care le consumă, observăm că dacă oricare din thread-uri este mai rapid decât celălalt, se ajunge în situația în care se aruncă o excepție, ori pentru că stiva e plină, ori pentru că s-a golit. Aici apare ceea ce se numește race condition, adică există una sau două zone de program executate de două thread-uri diferite și în care unul din thread-uri trebuie să ajungă înaintea celuilalt ca programul să se desfășoare corect. În exemplul anterior, dacă stiva este goală, atunci thread-ul care pune un element pe stivă trebuie să ajungă la metoda push(Object) înainte ca celălalt thread să apeleze metoda pop(), în caz contrar generându-se o excepție.

Această problemă se rezolvă folosind un sistem de bariere, adică un sistem care oprește unul din thread-uri într-un anumit loc până când o condișie este îndeplinită (de cele mai multe ori, când alt thread ajunge în locul potrivit). În Java, acest lucru se realizează cu ajutorul metodelor wait()/ wait(long)/ wait(long, int) și notify()/ notifyAll().

Metodele wait()/ wait(long)/ wait(long, int) blochează thread-ul curent până când un alt thread apelează una din metodele notify()/ notifyAll(), sau până când timpul dat ca argument a expirat.

Regulă: Apelurile metodelor de tip wait() se fac obligatoriu într-un bloc synchronized și se folosește ca referință obiectul monitor:

public class Stack{

    public static final int MAX_STACK_SIZE = 128;
    
    private Object[] stack;
    private int stackTop;

public Stack(){
    this(MAX_STACK_SIZE);
}

public Stack(int _maxSize){
    stack = new Object[_maxSize];
    stackTop = 0;
}

public synchronized boolean empty(){
    return stackTop == 0;
}

public synchronized boolean full(){
    return stackTop == stack.length;
}


public Object pop(){
    synchronized(this){
        while(empty()){
            try{
                this.wait();
            }catch(InterruptedException _ie){
                  System.out.println("InterruptedException: " + _ie.getMessage());
            }
        }
        this.notifyAll();
        return stack[--stackTop];
    }
}

public void push(Object _obj){
    synchronized(this){
        while(full()){
            try{
                this.wait();
            }catch(InterruptedException _ie){
                  System.out.println("InterruptedException: " + _ie.getMessage());
            }
        }
        stack[stackTop++] = _obj;
        this.notifyAll();
    }
}

}

Metodele de tip notify() reactivează threadurile oprite folosind metodele wait(). Acestea nu trebuie obligatoriu să fie apelate dintr-un bloc sincronizat, dar este recomandat. Se folosește ca referință tot obiectul de tip monitor utilizat pentru apelul metodelor wait().

Un thread reactivat folosind notify() trebuie să aștepte eliberarea monitorului pentru a executa zona sincronizată, ca orice alt thread. Observați utilizarea acestei funcționalități în metoda pop(), unde s-a apelat notifyAll() înainte de extragerea elementului de pe stivă, pe linia următoare. Totuși, clasa funcționează corect, pentru că thread-ul care introduce pe stivă un element nou nu va intra în execuție până când thread-ul care apelează notifyAll() nu iese din zona sincronizată, adică după extragerea unui element de pe stivă.

Resurse externe:

1. http://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/concurrency/
2. http://www.tutorialspoint.com/java/java_multithreading.htm