Программирование на Java
Блокировки
В основном хранилище для каждого объекта поддерживается блокировка (lock), над которой можно произвести два действия – установить (lock) и снять (unlock). Только один поток в один момент времени может установить блокировку на некоторый объект. Если до того, как этот поток выполнит операцию unlock, другой поток попытается установить блокировку, его выполнение будет приостановлено до тех пор, пока первый поток не отпустит ее.
Операции lock и unlock накладывают жесткое ограничение на работу с переменными в рабочей памяти потока. После успешно выполненного lock рабочая память очищается и все переменные необходимо заново считывать из основного хранилища. Аналогично, перед операцией unlock необходимо все переменные сохранить в основном хранилище.
Важно подчеркнуть, что блокировка является чем-то вроде флага. Если блокировка на объект установлена, это не означает, что данным объектом нельзя пользоваться, что его поля и методы становятся недоступными,– это не так. Единственное действие, которое становится невозможным,– установка этой же блокировки другим потоком, до тех пор, пока первый поток не выполнит unlock.
В Java-программе для того, чтобы воспользоваться механизмом блокировок, существует ключевое слово synchronized. Оно может быть применено в двух вариантах – для объявления synchronized-блока и как модификатор метода. В обоих случаях действие его примерно одинаковое.
Synchronized-блок записывается следующим образом:
synchronized (ref) { ... }
Прежде, чем начать выполнять действия, описанные в этом блоке, поток обязан установить блокировку на объект, на который ссылается переменная ref (поэтому она не может быть null). Если другой поток уже установил блокировку на этот объект, то выполнение первого потока приостанавливается до тех пор, пока не удастся выполнить операцию lock.
После этого блок выполняется. При завершении исполнения (как успешном, так и в случае ошибок) производится операция unlock, чтобы освободить объект для других потоков.
Рассмотрим пример:
public class ThreadTest implements Runnable { private static ThreadTest shared = new ThreadTest(); public void process() { for (int i=0; i<3; i++) { System.out.println( Thread.currentThread(). getName()+" "+i); Thread.yield(); } }
public void run() { shared.process(); } public static void main(String s[]) { for (int i=0; i<3; i++) { new Thread(new ThreadTest(), "Thread-"+i).start(); } } }
В этом простом примере три потока вызывают метод у одного объекта, чтобы тот распечатал три значения. Результатом будет:
Thread-0 0 Thread-1 0 Thread-2 0 Thread-0 1 Thread-2 1 Thread-0 2 Thread-1 1 Thread-2 2 Thread-1 2
То есть все потоки одновременно работают с одним методом одного объекта. Заключим обращение к методу в synchronized-блок:
public void run() { synchronized (shared) { shared.process(); } }
Теперь результат будет строго упорядочен:
Thread-0 0 Thread-0 1 Thread-0 2 Thread-1 0 Thread-1 1 Thread-1 2 Thread-2 0 Thread-2 1 Thread-2 2
Synchronized-методы работают аналогичным образом. Прежде, чем начать выполнять их, поток пытается заблокировать объект, у которого вызывается метод. После выполнения блокировка снимается. В предыдущем примере аналогичной упорядоченности можно было добиться, если использовать не synchronized-блок, а объявить метод process() синхронизированным.
Также допустимы методы static synchronized. При их вызове блокировка устанавливается на объект класса Class, отвечающего за тип, у которого вызывается этот метод.
При работе с блокировками всегда надо помнить о возможности появления deadlock – взаимных блокировок, которые приводят к зависанию программы. Если один поток заблокировал один ресурс и пытается заблокировать второй, а другой поток заблокировал второй и пытается заблокировать первый, то такие потоки уже никогда не выйдут из состояния ожидания.
Рассмотрим простейший пример:
Пример 12.4.
(html, txt)
Если запустить такую программу, то она никогда не закончит свою работу. Обратите внимание на вызовы метода yield() в каждом потоке. Они гарантируют, что когда один поток выполнил первую блокировку и переходит к следующей, второй поток находится в таком же состоянии. Очевидно, что в результате оба потока "замрут", не смогут продолжить свое выполнение. Первый поток будет ждать освобождения второго объекта, и наоборот. Именно такая ситуация называется "мертвой блокировкой", или deadlock. Если один из потоков успел бы заблокировать оба объекта, то программа успешно бы выполнилась до конца. Однако многопоточная архитектура не дает никаких гарантий, как именно потоки будут выполняться друг относительно друга. Задержки (которые в примере моделируются вызовами yield()) могут возникать из логики программы (необходимость произвести вычисления), действий пользователя (не сразу нажал кнопку "ОК"), занятости ОС (из-за нехватки физической оперативной памяти пришлось воспользоваться виртуальной), значений приоритетов потоков и так далее.
В Java нет никаких средств распознавания или предотвращения ситуаций deadlock. Также нет способа перед вызовом синхронизированного метода узнать, заблокирован ли уже объект другим потоком. Программист сам должен строить работу программы таким образом, чтобы неразрешимые блокировки не возникали. Например, в рассмотренном примере достаточно было организовать блокировки объектов в одном порядке (всегда сначала первый, затем второй) – и программа всегда выполнялась бы успешно.
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.
// Запускаем потоки t1.start(); t2.start(); } }
Пример 12.4.
Если запустить такую программу, то она никогда не закончит свою работу. Обратите внимание на вызовы метода yield() в каждом потоке. Они гарантируют, что когда один поток выполнил первую блокировку и переходит к следующей, второй поток находится в таком же состоянии. Очевидно, что в результате оба потока "замрут", не смогут продолжить свое выполнение. Первый поток будет ждать освобождения второго объекта, и наоборот. Именно такая ситуация называется "мертвой блокировкой", или deadlock. Если один из потоков успел бы заблокировать оба объекта, то программа успешно бы выполнилась до конца. Однако многопоточная архитектура не дает никаких гарантий, как именно потоки будут выполняться друг относительно друга. Задержки (которые в примере моделируются вызовами yield()) могут возникать из логики программы (необходимость произвести вычисления), действий пользователя (не сразу нажал кнопку "ОК"), занятости ОС (из-за нехватки физической оперативной памяти пришлось воспользоваться виртуальной), значений приоритетов потоков и так далее.
В Java нет никаких средств распознавания или предотвращения ситуаций deadlock. Также нет способа перед вызовом синхронизированного метода узнать, заблокирован ли уже объект другим потоком. Программист сам должен строить работу программы таким образом, чтобы неразрешимые блокировки не возникали. Например, в рассмотренном примере достаточно было организовать блокировки объектов в одном порядке (всегда сначала первый, затем второй) – и программа всегда выполнялась бы успешно.
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.
