Monisäikeisissä ohjelmissa on usein tarpeen hallita resurssien käyttöä tai synkronoida säikeiden suoritusta. Semaphore ja Barrier ovat korkean tason synkronointimekanismeja, jotka auttavat ratkaisemaan näitä haasteita.

Tänään tarkastelemme näitä mekanismeja peräkkäin ja ymmärrämme niiden erot. Aloitetaan Semaphore-mekanismilla.

Semaphore-luokka on toteutettu Javassa java.util.concurrent.Semaphore luokan avulla.

Rakentajat

Semaphore(int permits): Rakentaja, joka luo semaphore-olion määritellyllä määrällä oikeuksia. Oikeudet edustavat jaetun resurssin käyttöjen määrää.

Main.java


              1
            
 Semaphore semaphore = new Semaphore(20);

Semaphore(int permits, boolean fair): Konstruktori, joka tarjoaa saapumisjärjestyksen mukaisen käsittelyn.

Main.java


              1
            
Semaphore semaphore = new Semaphore(20, true);

Jos fair on asetettu true-arvoon, semaphore myöntää käyttöoikeudet saapumisjärjestyksessä (FIFO), mikä auttaa välttämään nälkiintymistä. Oletus - false.

Päämenetelmät

acquire() metodi pyytää yhtä käyttöoikeutta. Jos käyttöoikeus on saatavilla, se myönnetään välittömästi; muussa tapauksessa säie estetään, kunnes käyttöoikeus vapautuu. Kun tehtävä on suoritettu, release() metodia käytetään vapauttamaan käyttöoikeus, palauttaen sen semaphore:lle. Jos muut säikeet odottivat käyttöoikeutta, yksi niistä vapautetaan.

Kuvittele pysäköintialue, jossa on rajoitettu määrä paikkoja. semaphore toimii valvojana, joka seuraa vapaiden paikkojen määrää ja estää pääsyn, kun alue on täynnä.

Main.java


              1234567891011121314151617181920212223242526272829303132
            
package com.example;

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class Main {
    private final Semaphore semaphore;

    public Main(int slots) {
        semaphore = new Semaphore(slots);
    }

    public void parkCar() {
        try {
            semaphore.acquire(); // Request a parking spot
            System.out.println("Car parked. Available slots: " + semaphore.availablePermits());
            Thread.sleep(2000); // Simulate parking time
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            semaphore.release(); // Release the parking spot
            System.out.println("Car left. Available slots: " + semaphore.availablePermits());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Main parking = new Main(3); // Parking lot with 3 spots

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(parking::parkCar).start();
        }
    }
}

Voit myös selvittää, kuinka monta lupaa on tällä hetkellä saatavilla Semaphore-oliolla käyttämällä int availablePermits() -metodia. Voit myös yrittää hankkia luvan käyttämällä boolean tryAcquire() -metodia, joka palauttaa true, jos lupa saatiin, ja false, jos ei saatu.

Main.java


              1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041
            
package com.example;

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class Main {
    // Define the maximum number of permits available
    private static final int MAX_PERMITS = 3;
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(MAX_PERMITS);

    public static void main(String[] args) {
        // Create and start 5 worker threads
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            new Thread(new Worker(), "Worker-" + i).start();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(name + " trying to acquire a permit...");

            // Try to acquire a permit
            if (semaphore.tryAcquire()) {
                try {
                    System.out.println(name + " acquired a permit! Available permits: " + semaphore.availablePermits());
                    Thread.sleep(1000); // Simulate work
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    // Release the permit after the work is done
                    semaphore.release();
                    System.out.println(name + " released a permit. Available permits: " + semaphore.availablePermits());
                }
            } else {
                // Inform if the permit could not be acquired
                System.out.println(name + " could not acquire a permit. Available permits: " + semaphore.availablePermits());
            }
        }
    }
}

Huomio

Toisin sanoen, Semaphore on hyödyllinen, kun täytyy tarjota rajoitettu samanaikainen pääsy tiettyyn koodisegmenttiin. Ainoa haittapuoli on mahdollinen deadlock, jos säikeet estetään väärässä järjestyksessä.

Seuraavaksi siirrytään toiseen synkronointimekanismiin, joka on vieläkin helpompi käyttää, mutta on täysin hyödyllinen tarpeisiisi.

CyclicBarrier

Barrier Java-kielessä on toteutettu luokalla java.util.concurrent.CyclicBarrier. Tärkeimmät CyclicBarrier-luokan metodit ovat:

CyclicBarrier-rakentajat

CyclicBarrier(int parties): Rakentaja, joka luo esteen, joka estää säikeet kunnes tietty määrä säikeitä (parties) on saapunut.

Main.java


              1
            
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(10);

CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction): Konstruktori, joka luo esteen annetulla osallistujamäärällä ja toiminnolla (barrierAction), joka suoritetaan, kun kaikki osallistujat saapuvat esteelle.

Main.java


              1234567
            
Runnable task = () -> {
    // This task will be executed when all parties have reached the barrier
    System.out.println("Hello))");
};

// Create a `CyclicBarrier` for 10 parties with a barrier action
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(10, task);

CyclicBarrier-luokan metodit

Päämetodi await(), jota käytetään esteenä eikä anna säikeen jatkaa ennen kuin kaikki säikeet saavuttavat tämän metodin. Palauttaa järjestysnumeron, joka ilmaisee osallistujien saapumisjärjestyksen.

Main.java


              1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344
            
package com.example;

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // Create a `CyclicBarrier` for 3 parties with a barrier action
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
            System.out.println("All parties have reached the barrier. Barrier action executed.");
        });

        // Create and start 3 worker threads
        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            new Thread(new Worker(barrier), "Worker-" + i).start();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private CyclicBarrier barrier;

        Worker(CyclicBarrier barrier) {
            this.barrier = barrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(name + " is working...");

            try {
                // Simulate work
                Thread.sleep((int) (Math.random() * 1000));

                System.out.println(name + " is waiting at the barrier.");
                barrier.await(); // Wait at the barrier

                // This code will execute after all parties have reached the barrier
                System.out.println(name + " has crossed the barrier.");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

On mahdollista, että kaikki säikeet eivät saavu esteelle, jolloin ohjelma jää odottamaan. Tätä varten käytetään int await(long timeout, TimeUnit unit) metodia, joka on samanlainen kuin await(), mutta siinä on aikakatkaisu. Jos aikakatkaisu umpeutuu ennen kuin kaikki osallistujat saapuvat, metodi heittää poikkeuksen TimeoutException.

Voit myös selvittää osallistujien määrän, joka vaaditaan esteen täyttymiseen int getParties() sekä vastaavan metodin int getNumberWaiting(), joka palauttaa tällä hetkellä estettä odottavien osallistujien määrän.

Main.java


              12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849
            
package com.example;

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // Create a `CyclicBarrier` for 3 parties with a barrier action
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
            System.out.println("All parties have reached the barrier. Barrier action executed.");
        });

        System.out.println("Total number of parties required to complete the barrier: " + barrier.getParties());

        // Create and start 3 worker threads
        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            new Thread(new Worker(barrier), "Worker-" + i).start();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private CyclicBarrier barrier;

        Worker(CyclicBarrier barrier) {
            this.barrier = barrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(name + " is working...");

            try {
                // Simulate work
                Thread.sleep((int) (Math.random() * 1000));

                System.out.println(name + " is waiting at the barrier.");
                barrier.await(); // Wait at the barrier

                // This code will execute after all parties have reached the barrier
                System.out.println(name + " has crossed the barrier.");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }

            // Print the number of participants currently waiting at the barrier
            System.out.println("Number of participants currently waiting at the barrier: " + barrier.getNumberWaiting());
        }
    }
}

On myös mahdollista tarkistaa, onko barrier rikottu, jos jokin säikeistä keskeytetään tai odotusaika umpeutuu, käyttämällä boolean isBroken() metodia. Jos se on rikottu, voit käyttää void reset() metodia, joka palauttaa barrierin alkuperäiseen tilaansa.

Main.java


              12345
            
// Check if the barrier is broken and reset it if necessary
if (barrier.isBroken()) {
    System.out.println("Barrier is broken. Resetting the barrier.");
    barrier.reset();
}

Huomio

On otettava huomioon, että jokin säie ei välttämättä saavuta estettä esimerkiksi virheen tai muiden syiden vuoksi, jolloin on selvää, että este ei päästä läpi niitä säikeitä, jotka odottavat tällä hetkellä esteellä.

Oliko kaikki selvää?

Kiitos palautteestasi!

Osio 3. Luku 3

Kysy tekoälyä

Kysy mitä tahansa tai kokeile jotakin ehdotetuista kysymyksistä aloittaaksesi keskustelumme

Awesome!

Completion rate improved to 3.33

Pyyhkäise näyttääksesi valikon

Tänään tarkastelemme näitä mekanismeja peräkkäin ja ymmärrämme niiden erot. Aloitetaan Semaphore-mekanismilla.

Semaphore-luokka on toteutettu Javassa java.util.concurrent.Semaphore luokan avulla.

Rakentajat

Semaphore(int permits): Rakentaja, joka luo semaphore-olion määritellyllä määrällä oikeuksia. Oikeudet edustavat jaetun resurssin käyttöjen määrää.

Main.java


              1
            
 Semaphore semaphore = new Semaphore(20);

Semaphore(int permits, boolean fair): Konstruktori, joka tarjoaa saapumisjärjestyksen mukaisen käsittelyn.

Main.java


              1
            
Semaphore semaphore = new Semaphore(20, true);

Jos fair on asetettu true-arvoon, semaphore myöntää käyttöoikeudet saapumisjärjestyksessä (FIFO), mikä auttaa välttämään nälkiintymistä. Oletus - false.

Päämenetelmät

Kuvittele pysäköintialue, jossa on rajoitettu määrä paikkoja. semaphore toimii valvojana, joka seuraa vapaiden paikkojen määrää ja estää pääsyn, kun alue on täynnä.

Main.java


              1234567891011121314151617181920212223242526272829303132
            
package com.example;

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class Main {
    private final Semaphore semaphore;

    public Main(int slots) {
        semaphore = new Semaphore(slots);
    }

    public void parkCar() {
        try {
            semaphore.acquire(); // Request a parking spot
            System.out.println("Car parked. Available slots: " + semaphore.availablePermits());
            Thread.sleep(2000); // Simulate parking time
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            semaphore.release(); // Release the parking spot
            System.out.println("Car left. Available slots: " + semaphore.availablePermits());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Main parking = new Main(3); // Parking lot with 3 spots

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(parking::parkCar).start();
        }
    }
}

Main.java


              1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041
            
package com.example;

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class Main {
    // Define the maximum number of permits available
    private static final int MAX_PERMITS = 3;
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(MAX_PERMITS);

    public static void main(String[] args) {
        // Create and start 5 worker threads
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            new Thread(new Worker(), "Worker-" + i).start();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(name + " trying to acquire a permit...");

            // Try to acquire a permit
            if (semaphore.tryAcquire()) {
                try {
                    System.out.println(name + " acquired a permit! Available permits: " + semaphore.availablePermits());
                    Thread.sleep(1000); // Simulate work
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    // Release the permit after the work is done
                    semaphore.release();
                    System.out.println(name + " released a permit. Available permits: " + semaphore.availablePermits());
                }
            } else {
                // Inform if the permit could not be acquired
                System.out.println(name + " could not acquire a permit. Available permits: " + semaphore.availablePermits());
            }
        }
    }
}

Huomio

Seuraavaksi siirrytään toiseen synkronointimekanismiin, joka on vieläkin helpompi käyttää, mutta on täysin hyödyllinen tarpeisiisi.

CyclicBarrier

Barrier Java-kielessä on toteutettu luokalla java.util.concurrent.CyclicBarrier. Tärkeimmät CyclicBarrier-luokan metodit ovat:

CyclicBarrier-rakentajat

CyclicBarrier(int parties): Rakentaja, joka luo esteen, joka estää säikeet kunnes tietty määrä säikeitä (parties) on saapunut.

Main.java


              1
            
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(10);

Main.java


              1234567
            
Runnable task = () -> {
    // This task will be executed when all parties have reached the barrier
    System.out.println("Hello))");
};

// Create a `CyclicBarrier` for 10 parties with a barrier action
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(10, task);

CyclicBarrier-luokan metodit

Main.java


              1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344
            
package com.example;

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // Create a `CyclicBarrier` for 3 parties with a barrier action
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
            System.out.println("All parties have reached the barrier. Barrier action executed.");
        });

        // Create and start 3 worker threads
        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            new Thread(new Worker(barrier), "Worker-" + i).start();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private CyclicBarrier barrier;

        Worker(CyclicBarrier barrier) {
            this.barrier = barrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(name + " is working...");

            try {
                // Simulate work
                Thread.sleep((int) (Math.random() * 1000));

                System.out.println(name + " is waiting at the barrier.");
                barrier.await(); // Wait at the barrier

                // This code will execute after all parties have reached the barrier
                System.out.println(name + " has crossed the barrier.");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

Main.java


              12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849
            
package com.example;

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // Create a `CyclicBarrier` for 3 parties with a barrier action
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
            System.out.println("All parties have reached the barrier. Barrier action executed.");
        });

        System.out.println("Total number of parties required to complete the barrier: " + barrier.getParties());

        // Create and start 3 worker threads
        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            new Thread(new Worker(barrier), "Worker-" + i).start();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private CyclicBarrier barrier;

        Worker(CyclicBarrier barrier) {
            this.barrier = barrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(name + " is working...");

            try {
                // Simulate work
                Thread.sleep((int) (Math.random() * 1000));

                System.out.println(name + " is waiting at the barrier.");
                barrier.await(); // Wait at the barrier

                // This code will execute after all parties have reached the barrier
                System.out.println(name + " has crossed the barrier.");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }

            // Print the number of participants currently waiting at the barrier
            System.out.println("Number of participants currently waiting at the barrier: " + barrier.getNumberWaiting());
        }
    }
}

Main.java


              12345
            
// Check if the barrier is broken and reset it if necessary
if (barrier.isBroken()) {
    System.out.println("Barrier is broken. Resetting the barrier.");
    barrier.reset();
}

Huomio

Oliko kaikki selvää?

Kiitos palautteestasi!

Osio 3. Luku 3

Semafori ja Este

Rakentajat

Päämenetelmät

CyclicBarrier

CyclicBarrier-rakentajat

CyclicBarrier-luokan metodit

Awesome!

Semafori ja Este

Rakentajat

Päämenetelmät

CyclicBarrier

CyclicBarrier-rakentajat

CyclicBarrier-luokan metodit