Многопоточное программирование



В отличие от многих других языков программирования, Java предлагает встроенную поддержку многопоточного программирования. Многопоточная программа содержит две или более частей, которые могут выполняться одновременно. Каждая часть такой программы называется потоком (thread), и каждый поток задает отдельный путь выполнения. То есть, многопоточность — это специализированная форма многозадачности.

Вы почти наверняка знакомы с многозадачностью, поскольку она поддерживается практически всеми современными операционными системами. Однако существуют два отдельных типа многозадачности: многозадачность, основанная на процессах, и многозадачность, основанная на потоках. Важно понимать разницу между ними. Большинству читателей многозадачность, основанная на процессах, является более знакомой формой. Процесс по сути своей — это выполняющаяся программа. То есть многозадачность, основанная на процессах, представляет собой средство, которое позволяет вашему компьютеру одновременно выполнять две или более программ. Так, например, процессная многозадачность позволяет запускать компилятор Java в то самое время, когда вы используете текстовый редактор. В многозадачности, основанной на процессах, программа представляет собой наименьший элемент кода, которым может управлять планировщик операционной системы.

В среде поточной многозадачности наименьшим элементом управляемого кода является поток. Это означает, что одна программа может выполнять две или более задач одновременно. Например, текстовый редактор может форматировать текст в то же время, когда выполняется его печать — до тех пор, пока эти два действия выполняются двумя отдельными потоками. То есть многозадачность на основе процессов имеет дело с «картиной в целом», а потоковая многозадачность справляется с деталями.

Многозадачные потоки требуют меньше накладных расходов, чем многозадачные процессы. Процессы — это тяжеловесные задачи, каждая из которых требует своего собственного адресного пространства. Межпроцессные коммуникации дорогостоящи и ограничены. Переключение контекста от одного процесса к другому также обходится дорого. С другой стороны, потоки являются облегченными. Они разделяют одно и тоже адресное пространство и совместно используют один и тот же тяжеловесный процесс.

Коммуникации между потоками являются экономными, а переключения контекста между потоками характеризуется низкой стоимостью. Хотя Java-программы используются в средах процессной многозадачности, многозадачность, основанная на процессах, средствами Java не управляется. А вот многопоточная многозадачность средствами Java управляется.

Многопоточность позволяет вам писать очень эффективные программы, которые по максимуму используют центральный процессор, поскольку время ожидания может быть сведено к минимуму. Это особенно важно для интерактивных сетевых сред, в которых работает Java, так как в них наличие ожидания и простоев — обычное явление. Например, скорость передачи данных по сети намного ниже, чем скорость, с которой компьютер может их обрабатывать. Даже ресурсы локальной файловой системы читаются и пишутся намного медленнее, чем темп их обработки в процессоре. И, конечно, ввод пользователя намного медленнее, чем компьютер. В однопоточных средах ваша программа вынуждена ожидать окончания таких задач, прежде чем переходить к следующей — даже если центральный процессор большую часть времени простаивает. Многопоточность позволяет получить доступ к этому времени ожидания и использовать его рациональным образом.

Если вы программировали для таких операционных систем, как Windows, это значит, что вы уже знакомы с многопоточным программированием. Однако тот факт, что Java управляет потоками, делает многопоточность особенно удобной, поскольку многие детали подконтрольны вам как программисту.

Читать онлайн «Многопоточное программирование в Java» — автор Тимур Машнин

Процессы и потоки

Чтобы начать работу с основами многопоточного программирования, давайте начнем с изучения потоков.

Каждая операционная система поддерживает потоки в той или иной форме.

Вначале, все усилия по повышению производительности процессоров были направлены на наращивание тактовой частоты, но со все большим увеличением частоты, наращивать её стало тяжелее, так как это требовало увеличения охлаждения процессоров.

Поэтому инженеры стали добавлять ядра в процессор, так и возникли многоядерные процессоры.

Принцип увеличения производительности процессора за счёт нескольких ядер, заключается в разделении выполнения потоков или различных задач на несколько ядер.

На самом деле, можно сказать, что практически каждый процесс, запущенный у вас в системе, имеет несколько потоков.

Операционная система может виртуально создать для себя множество потоков и выполнять их все как бы одновременно, даже если физически процессор и одноядерный.

Например, Windows — это многозадачная операционная система, то есть она может одновременно выполнять две и более программ или процессов.

И Windows — это также и многопоточная операционная система.

Это означает, что в действительности программы состоят из ряда более простых потоков выполнения.

Выполнение этих потоков планируется так же, как и выполнение процессов.

Если процессор одноядерный, и так как несколько потока выполняются у нас одновременно, то нужно создать для пользователя, эту самую одновременность выполнения.

Операционная система, делает это хитро, за счет переключения между выполнением этих потоков (эти переключения мгновенны и время идет в миллисекундах).

То есть, система некоторое время выполняет один поток, затем резко переключается на выполнение другого потока, и так далее по кругу.

Таким образом, создается впечатление одновременного выполнения нескольких задач.

Но при этом теряется производительность.

Если процессор многоядерный, тогда переключения может не потребоваться.

Система будет посылать каждый поток на отдельное ядро.

Несколько потоков могут выполняться одновременно, каждый на своем ядре.

Но тут есть проблема.

Для использования преимуществ многоядерности, код программы должен быть оптимизирован для выполнения на многоядерных процессорах.

Это означает, что программа, или процесс, должна быть максимально распараллелена в коде по отдельным задачам.

Если у вас есть многоядерный процессор, и у нас есть два ядра или два процессора P0 и P1, у вас будет возможность создать единицы выполнения, называемые потоками, T1, T2, T3.

И операционная система сама позаботится о планировании этих потоков на процессорах по мере их доступности.

Таким образом вы получаете многопоточное выполнение.

Платформа Java обеспечивает поддержку многопоточности с помощью пакета java.util.concurrent.

В многопоточном программировании существуют две основные единицы исполнения — это процессы и потоки.

И многопоточное программирование на Java в основном касается потоков.

Чем отличается поток от процесса?

Процесс имеет автономную среду исполнения.

Обычно процесс имеет полный, приватный набор базовых ресурсов среды выполнения, например, каждый процесс имеет собственное выделенное пространство памяти.

Процессы часто ассоциируются с приложением.

Однако то, что пользователь видит, как одно приложение, может быть на самом деле набором взаимодействующих процессов.

Для облегчения взаимодействия между процессами большинство операционных систем поддерживают Inter Process Communication (IPC).

IPC используется не только для связи между процессами в одной и той же системе, но и процессов в разных системах.

Java поддерживает IPC с помощью сокетов, библиотек RMI и CORBA.

Каждый экземпляр работающей виртуальной машины Java представляет собой один процесс.

Приложение Java может создавать дополнительные процессы с помощью объекта ProcessBuilder.

Потоки существуют в процессе — каждый процесс имеет хотя бы один поток.

Потоки используют общие ресурсы процесса, включая память и открытые файлы.

Это обеспечивает эффективное, но потенциально проблематичное взаимодействие между процессами.

Каждый поток имеет свой собственный стек вызовов, но может обращаться к общим данным других потоков в одном и том же процессе.

Каждый поток имеет свой собственный кеш памяти.

Если поток читает общие данные, он сохраняет эти данные в своем собственном кеше памяти.

Несколько потоков создаются в приложении для обеспечения параллельной или скорее независимой обработки или асинхронного поведения.

Многопоточность обещает быстрее выполнить определенную задачу, поскольку эти задачи можно разделить на подзадачи, и эти подзадачи могут выполняться параллельно или независимо.

При этом ускорение программы с помощью многопоточных вычислений на нескольких процессорах ограничено размером последовательной части программы. Это так называемый закон Амдала.

Этот закон гласит следующее — В случае, когда задача разделяется на несколько частей, суммарное время её выполнения на параллельной системе не может быть меньше времени выполнения самого длинного фрагмента.

Согласно этому закону, ускорение выполнения программы за счёт распараллеливания её инструкций на множестве вычислителей, ограничено временем, необходимым для выполнения её последовательных инструкций.

Потоки имеют собственный стек вызовов, но также могут обращаться к общим данным. Поэтому у вас есть две основные проблемы, проблемы с видимостью и доступом.

Проблема видимости возникает, если поток A читает общие данные, которые позже изменяются потоком B, а поток A не знает об этом изменении.

Проблема доступа может возникнуть, если несколько потоков получают доступ и изменяют одновременно одни и те же общие данные.

Проблема видимости и доступа может привести к сбою в работе — программа перестанет реагировать и войдет в ступор или взаимную блокировку из-за одновременного доступа к данным, или может быть сбой безопасности — программа создаст неверные данные.

Как решаются эти проблемы мы обсудим позже.

Таким образом, каждое приложение имеет хотя бы один поток — или несколько, если учитывать «системные» потоки, которые выполняют такие функции, как управление памятью и обработка событий.

Но с точки зрения программиста, вы начинаете с одного потока, называемого основным потоком.

Этот поток имеет возможность создавать дополнительные потоки.

Вопрос в том, как мы можем создать, запустить и выполнить поток?

В Java каждый поток представлен экземпляром класса Thread.

Создать поток, или экземпляр Thread, можно двумя способами.

Первый способ, это сначала создать объект Runnable.

Интерфейс Runnable определяет один метод run, предназначенный для того, чтобы содержать код, выполняемый в потоке.

После создания, объект Runnable передается конструктору класса Thread.

И поток запускается методом start.

Второй способ, это создать подкласс класса Thread.

Сам класс Thread реализует интерфейс Runnable, и при этом его метод run пустой.

Поэтому нужно создать подкласс класса Thread и предоставить собственную реализацию метода run.

Таким образом, первая ключевая операция — это создание потоков.

Но ключевой момент здесь — вам нужно указать вычисление, которое должно быть выполнено в потоке.

Затем после создания потока, он фактически не начинает выполнение.

Поэтому, следующее, что вам нужно сделать, это вызвать метод start.

Теперь, ваша основная программа сама по себе является потоком.

И у нас есть основной поток, который создает и запускает другой поток.

В другом потоке выполняется свой код.

Теперь основной поток после запуска другого потока может выполнить свой код.

В этом случае у нас параллельно выполняются два куска кода на двух разных ядрах.

Класс Thread содержит метод join.

Метод join может быть использован для того, чтобы приостановить выполнение текущего потока до тех пор, пока другой поток не закончит свое выполнение.

Как правило, мы используем более одного потока.

В этом случае, планировщик потоков планирует потоки, что не гарантирует порядок выполнения потоков.

В идеальном мире все потоки всех программ работают на отдельных процессорах.

Но в реальности, потоки должны разделяться между одним или несколькими процессорами.

Либо JVM, либо операционная система базовой платформы определяют, как распределять ресурс процессора среди потоков — задача, известная как планирование потоков.

Эта часть JVM или операционной системы, которая выполняет планирование потоков, является планировщиком потоков.

Java не заставляет виртуальную машину планировать потоки определенным образом, поэтому планирование потоков зависит от конкретной платформы.

Предположим, у нас есть два потока t1 и t2.

Несмотря на то, что мы запустили потоки последовательно, планировщик потоков не запускает и не завершает их в указанном порядке.

Каждый раз, когда вы запускаете этот код, вы можете получить разные результаты.

А если поток t1 должен использовать вычисления потока t2, что нам делать?

Решить эту проблему мы можем с помощью метода join ().

Этот код запустит второй поток t2, только после завершения первого потока t1, так как метод join приостанавливает выполнение главного потока до тех пор, пока не завершится поток t1.

Если поток прерывается, бросается исключение InterruptedException.

Теперь, предположим, что мы передали в метод run класса MyClass основной поток и применили к нему метод join.

Тогда первый поток будет ждать, когда завершится основной поток, а основной поток будет ждать, когда завершится первый поток.

Возникнет дедлок deadlock или взаимная блокировка потоков.

Для отладки долгоиграющих операций, например, сетевых запросов, часто используется статический метод sleep класса Thread.

Вызов этого метода ставит выполнение текущего потока на паузу, при этом нужно указать количество миллисекунд паузы.

Здесь также нужно обрабатывать исключение InterruptedException.

Это исключение, которое метод бросает, когда другой поток прерывает текущий поток, при работающем методе.

Теперь, вы можете столкнуться с ситуацией, когда вам нужно выполнить некоторые длительные задачи в отдельных потоках.

И возможно, вам нужно будет завершить работу какой-либо задачи еще до того, как задача будет полностью выполнена, с помощью остановки соответствующего потока.

Например, при закрытии приложения, которое может использовать несколько потоков, и они могут быть не завершены в момент закрытия приложения.

Как запросить задачу, выполняемую в отдельном потоке, закончиться раньше?

Как заставить задачу реагировать на такой запрос?

В этом примере создается задача, которая печатает числа от 0 до 9 в консоли.

После печати числа, задача должна подождать 1 секунду перед печатью следующего числа.

Задача выполняется в отдельном потоке, отличном от основного потока приложения.

После запуска задачи основной поток должен подождать 3 секунды и затем завершить работу.

При завершении работы приложение должно запросить завершение выполняемой задачи.

Перед тем, как полностью закрыть приложение, приложение должно максимально ждать 1 сек для завершения задачи.

Задача должна ответить на запрос завершения, немедленно останавливаясь.

Общее выполнение задачи занимает не менее 9 секунд.

Поэтому задача не сможет распечатать все десять чисел от 0 до 9.

Для запроса на прерывание потока, основной поток вызывает метод прерывания interrupt.

В Java один поток не может просто остановить другой поток.

Поток может только запросить остановку другого потока.

И запрос выполняется в виде вызова метода interrupt.

Вызов метода interrupt в экземпляре Thread устанавливает флаг прерывания как true.

Если этот поток заблокирован вызовом методов wait, join или sleep, то его статус прерывания будет очищен, и он выбросит исключение InterruptedException.

Таким образом, как только taskThread прерывается основным потоком, Thread.sleep (1000) отвечает на прерывание, выбрасывая исключение.

Исключение InterruptedException обрабатывается, прерывая цикл и тем самым заканчивая задачу раньше.

Таким образом, чтобы задача немедленно реагировала на запрос прерывания, можно использовать обработку исключения InterruptedException.

После очистки статуса прерывания, подтвердить этот статус можно самопрерыванием с помощью вызова Thread.currentThread().interrupt ().

И без использования обработки InterruptedException, прервать цикл задачи можно, проверяя статус прерывания с помощью вызова Thread.isInterrupted ().

Синхронизация потоков

Теперь, когда мы рассмотрели потоки, давайте разберем ключевую концепцию в многопоточном программировании, которая идет рука об руку с потоками, и это блокировки.

Потоки взаимодействуют между собой, главным образом, путем совместного доступа к полям объектов.

Это взаимодействие делает возможными два вида ошибок: интерференция потоков и ошибки согласованности памяти.

Предположим, что у нас есть очень простой метод объекта, который принимает число и увеличивает его на единицу.

Другой метод этого объекта уменьшает это число на единицу.

Предположим, есть два потока T1 и T2, и один поток хочет увеличить число, а другой поток хочет уменьшить число.

Эти два потока могут быть запланированы на двух разных ядрах, и они могут читать и записывать поле объекта в одно и то же время, и результат будет непредсказуемым.

При одновременной записи возникнет интерференция потоков.

А при одновременной записи и чтении возникнет ошибка согласованности памяти.

Как нам избежать ситуации, когда два потока хотят получить доступ к одному и тому же объекту одновременно?

Для этого используется блокировка.

Java обеспечивает блокировки для защиты определенных частей кода, которые будут выполняться несколькими потоками одновременно.

Самый простой способ блокировки определенного метода — это определить метод с ключевым словом synchronized.

Ключевое слово synchronized в Java обеспечивает:

Что только один поток может одновременно выполнять блок кода

Что каждый поток, входящий в синхронизированный блок кода, видит результаты всех предыдущих модификаций, которые были защищены одной и той же блокировкой.

Синхронизация необходима для взаимоисключающего доступа к блокам и для надежной связи между потоками.

Синхронизация метода обеспечивает, что, когда один поток выполняет синхронизированный метод объекта, все другие потоки, которые вызывают синхронизированные методы этого объекта приостанавливают выполнение до тех пор, пока первый поток не закончит свою работу с объектом.

Когда синхронизированный метод завершится, он автоматически установит причинно-следственную связь для последующего вызова синхронизированного метода этого объекта.

Это гарантирует, что изменения состояния объекта будут видны для всех потоков.

Когда поток вызывает синхронизированный метод, он автоматически получает внутреннюю блокировку для объекта этого метода и освобождает его при возврате метода.

Освобождение блокировки происходит, даже если возврат метода был вызван неперехваченным исключением.

Другими словами, каждый объект в Java имеет ассоциированный с ним монитор.

Монитор представляет своего рода инструмент для управления доступа к объекту.

Когда выполнение кода доходит до оператора synchronized, монитор объекта захватывается владельцем, и на это время монопольный доступ к синхронизированному коду имеет только один поток, который является владельцем монитора.

После окончания работы блока кода, монитор объекта освобождается и становится доступным для других потоков.

Когда вызывается статический синхронизированный метод, так как статический метод связан с классом, а не с объектом, в этом случае поток получает блокировку для объекта Class, связанного с классом и представляющего класс в среде выполнения.

Таким образом, доступ к синхронизированным статическим полям класса контролируется блокировкой, отличной от блокировки для любого экземпляра класса. Поэтому статические синхронизированные методы и нестатические синхронизированные методы никогда не заблокируют друг друга.

Конструкторы не могут быть синхронизированы — использование ключевого слова synchronized для конструктора является синтаксической ошибкой.

Синхронизация конструктора не имеет смысла, потому что только поток, который создает объект, имеет доступ к нему во время его создания.

Еще раз, если два нестатических метода класса объявлены как synchronized, то в каждый момент времени из разных потоков на одном объекте может быть вызван только один из них.

Поток, который вызывает метод первым, захватит монитор, и второму потоку придется ждать.

Это верно только для разных потоков.

Один и тот же поток может вызвать синхронизированный метод, внутри него — другой синхронизированный метод на том же экземпляре. И это будет повторная блокировка.

Поскольку этот поток владеет монитором, проблем второй вызов не создаст.

Это верно только для вызовов методов одного экземпляра.

У разных экземпляров разные мониторы, поэтому одновременный вызов нестатических методов проблем не создаст.

Другой способ создания синхронизированного кода — синхронизированные блоки.

В отличие от синхронизированных методов, синхронизированные блоки должны указывать объект, который обеспечивает внутреннюю блокировку.

Когда один поток заходит внутрь блока кода, помеченного словом synchronized, то Java-машина тут же блокирует монитор объекта, который указан в круглых скобках после слова synchronized.

Больше ни один поток не сможет зайти в этот блок, пока наш поток его не покинет.

Как только наш поток выйдет из блока, помеченного synchronized, то монитор тут же автоматически освобождается и будет свободен для захвата другим потоком.

Для нестатических методов, синхронизация метода эквивалентна синхронизации тела метода с объектом this.

Для статических методов, синхронизация метода эквивалентна синхронизации тела метода с объектом Class.

Предположим, что класс имеет два поля экземпляра: c1 и c2, которые никогда не используются вместе.

Все обновления этих полей должны быть синхронизированы, но нет никаких причин препятствовать тому, чтобы обновление c1 чередовалось с обновлением c2, чтобы не создавать ненужную блокировку.

Вместо использования синхронизированных методов или использования блокировки this, мы создаем два объекта исключительно для обеспечения блокировок.

Таким образом синхронизация блоков может дать возможность из разных потоков на одном объекте вызывать разные синхронизированные блоки.

Атомарный доступ и volatile

В программировании атомарное действие — это действие, которое происходит за один раз.

Атомарное действие не может остановиться посередине: оно либо происходит полностью, либо вообще не происходит.

Никакие промежуточные результаты атомарного действия не видны, пока действие не будет завершено.

Например, оператор инкремента ++, не является атомарным действием.

Он состоит из следующих действий:

— Получить текущее значение.

— Увеличить полученное значение на 1.

— Сохранить увеличенное значение.

Поэтому очень простые выражения могут определять сложные действия, которые могут разлагаться на другие действия.

Но есть действия, которые являются атомарными:

Это чтение и запись всех переменных, ссылочных на объекты и примитивных переменных, за исключением переменных типа long и double.

Так как в Java 64-битные long и double значения рассматриваются как два 32-битных значения.

Это означает, что 64-разрядная операция записи выполняется как две отдельные 32-разрядные операции.

И это значит, что действия с long и double переменными не являются потокобезопасными.

Когда несколько потоков получают доступ к long или double значению без синхронизации, это может вызвать проблемы.

Чтобы обеспечить атомарность действий с long и double значениями можно использовать ключевое слово volatile.

Если переменная объявлена как volatile, это означает, что она может изменяться разными потоками.

Среда выполнения JRE неявно обеспечивает синхронизацию при доступе к volatile-переменным, но с очень большой оговоркой: чтение volatile-переменной и запись в volatile-переменную синхронизированы, а неатомарные операции, такие как операция инкремента или декремента ― нет.

Атомарные действия не могут перемешиваться, поэтому их можно использовать, не опасаясь интерференции потоков.

Однако это не устраняет необходимости синхронизации атомарных действий, так как возможны ошибки согласованности памяти.

В целях повышения производительности среда выполнения JRE сохраняет локальные копии переменных для каждого потока, который на них ссылается.

Такие «локальные» копии переменных работают как кэш и помогают потоку избежать обращения к главной памяти каждый раз, когда требуется получить значение переменной.

Поэтому если один поток изменит значение переменной, то другой поток может не увидеть это изменение, так как будет считывать значение из своего кэша. Это и будет ошибкой согласованности памяти

Однако если переменная помечена как volatile, то, когда бы поток не считывал значение, он будет считывать ее текущее значение.

Использование volatile переменных, не только для long и double, снижает риск ошибок согласованности памяти, поскольку любая запись в volatile переменную устанавливает связь между событиями и последующими чтениями этой же переменной.

Это означает, что изменения в volatile переменной всегда видны для других потоков.

Опять же речь идет только об операциях чтения и записи.

Резюмируя, объявление блока кода синхронным обеспечивает для кода атомарность и видимость.

Атомарность значит, что только один поток одновременно может выполнять код, защищенный данным объектом-монитором (блокировкой), позволяя предотвратить многочисленные потоки от столкновений друг с другом во время обновления общего состояния.

Видимость связана с особенностями кэширования памяти и оптимизацией программы в процессе компилирования.

Обычно потоки могут свободно кэшировать значения для переменных так, чтобы они не обязательно сразу же были бы видны другим потокам, но, если разработчик использовал синхронизацию, во время выполнения будет проверяться, что обновления переменных, выполненные одним потоком до выхода из синхронизированного блока, сразу же будут видны другому потоку, когда он будет входить в синхронизированный блок, защищенный тем же монитором (блокировкой).

Подобное правило видимости существует и для переменных volatile.

Живучесть Liveness

Теперь, давайте рассмотрим фундаментальное свойство корректности многопоточных программ, которое называется LIVENESS или живучесть.

Когда вы пишете не многопоточную, а последовательную программу, и в ней есть ошибка, вы запускаете ее, и на экране ничего не появляется.

Вы ждете, а затем выясняете, например, что у вас в коде есть бесконечный цикл.

И тогда вы исправляете ошибку.

К сожалению, в многопоточных программах есть много других способов получить этот эффект пустого экрана.

Один из них — это DEADLOCK или взаимная блокировка.

Это мы уже видели в случае операции join.

Если два потока соединяются друг с другом, они создают цикл взаимоблокировки, и по этой причине программа не завершается.

Это не бесконечный цикл в обычном понимании, это два потока, заблокированных друг от друга на неопределенный срок.

Существуют и другие способы получения взаимоблокировки.

Например, если поток T1 выполняет синхронизированную операцию на объекте A и вложенную синхронизированную операцию на объекте B, а поток T2 выполняет синхронизированную операцию на объекте B и вложенную синхронизированную операцию на объекте A, мы получаем другую форму взаимоблокировки.

Поток T1 может получить монитор объекта A одновременно с тем, что поток T2 получит монитор объекта B, а затем каждый поток будет ожидать монитора В и А соответственно неопределенный срок.

Одним из лучших способов предотвращения взаимоблокировки — это избегать одновременного получения более одного монитора.

Еще одно нарушение живучести, это LIVELOCK или динамическая взаимоблокировка.

В livelock потоки не блокируются, но они находятся в режиме, в котором их выполнение не продвигается дальше, это похоже на пат в шахматной игре.

Например, если у нас есть объект, скажем, изменяемая целочисленная переменная x, и у нас есть два потока.

Поток T1 в цикле увеличивает x, затем читает значение x и продолжает делать это, пока х меньше 2.

А поток T2 в цикле уменьшает значение x, затем читает значение x и продолжает делать это, пока х больше -2.

Возможна ситуация, при которой поток T1 получает x = 1, но прежде чем он получит шанс увеличить x и достичь x = 2, поток T2 уменьшает x, противодействуя тому, что делает T1.

И делает x = -1.

Но до того, как поток T2 получит шанс уменьшить х до -2, поток T1 может снова увеличить x до 1.

И так до бесконечности.

Таким образом, значение х может двигаться вперед и назад, как непрерывный бесконечный пинг-понг.

Теперь третий вид проблемы с живучестью, называется STARVATION или голодание.

Starvation возникает, когда какой-либо поток не может получить доступ к общим ресурсам и не может быть выполнен в результате, например, синхронизированного доступа к этому ресурсу другими потоками, выполнение которых занимает долгое время.

В результате этот поток голодает.

Паттерн защищенный блок Guarded Block

Предположим у нас есть задача написать приложение Producer-Consumer.

Это приложение состоит из двух потоков — производителя, который создает данные, и потребителя, который что-то делает с этими данными.

Два потока обмениваются данными с использованием общего объекта.

При этом потребительский поток не должен пытаться извлекать данные до тех пор, пока поток производителя не создаст данные, а поток производителя не должен пытаться оставить новые данные, пока потребитель не извлечет старые данные.

Для создания такого приложения используется паттерн Защищенный блок.

Сначала значение empty установлено в true.

Поток потребителя вызывает синхронизированный метод take.

Объект класса блокируется.

Метод запускает цикл while.

В этом цикле вызывается метод wait.

При этом объект класса разблокируется.

Поток производитель вызывает метод put.

При этом объект класса блокируется.

Блок while метода put пропускается.

Записывается сообщение и значение empty устанавливается в false.

Вызывается метод notifyAll, который будит все потоки.

Монитор объекта перехватывается потоком потребителем.

Цикл while завершается, и значение empty устанавливается снова в true.

Сообщение потребляется.

Таким образом, паттерн защищенный блок обеспечивает координацию действий потоков.

При использовании этого паттерна не забудьте убедиться, что приложение имеет другие потоки, которые получают блокировки на объектах, на которых другие потоки ранее вызывали метод wait, и эти другие потоки вызывают методы notify или notifyAll, чтобы приложение могло избежать startvation для тех потоков, которые вызвали метод wait.

Метод notifyAll будит все ожидающие потоки, тогда как метод notify случайно выбирает один из ожидающих потоков и будит его.

Теперь вопрос.

Можно ли написать такой класс, чтобы состояние объекта такого класса не могло быть изменено после создания объекта, и таким образом, так как такой объект не может изменять состояние, он не может быть поврежден интерференцией потоков или быть в несогласованном состоянии.

Для этого нужно сделать следующее:

Не давать классу методы «setter» — методы, которые изменяют поля или объекты, на которые ссылаются поля.

Сделать все поля класса финальными и приватными.

Не допустить создание подклассов с помощью объявления класса финальным.

Не давать классу методы, изменяющие изменяемые объекты.

Создание объектов неизменяемыми, является хорошей практикой в некоторых случаях, и помогает создать потокобезопасный код.

Интерфейс Lock

Пакет java.util.concurrent представляет API более высокого уровня для синхронизации, координации и управления потоками.

В частности, это интерфейс Lock.

Обеспечивает управление доступом к общему ресурсу для нескольких потоков.

Основное отличие интерфейса Lock от использования низкоуровневого API в виде synchronized, wait, notify, и volatile, это:

Возможность запроса блокировки до тех пор, пока текущий поток не прервется. С простой синхронизацией невозможно прервать поток, который ожидает блокировки.

Запрашивать блокировку, если она свободна в течение заданного времени ожидания, и, если текущий поток не был прерван. С простой синхронизацией невозможно пытаться получить блокировку, не будучи готовым к долгому ожиданию.

Возможность одной блокировки иметь несколько условий, чтобы ждать или пробуждаться.

Так как в случае интерфейса Lock, блокировка представлена объектом, это дает возможность повторно используемой блокировки, а также возможность освобождать и приобретать блокировки в любом порядке, с простой синхронизацией можно освобождать блокировки только в том порядке, в котором они были приобретены.

Также, можно получить блокировку в одном методе, а освободить ее в другом методе, то есть получать блокировку неблочной структуры.

Это гибкость также может создать и проблему.

При использовании простой синхронизации невозможно забыть снять блокировку, JVM сделает это за вас, когда вы выйдете из блока synchronized.

Но при использовании интерфейса Lock можно забыть снять блокировку.

При этом ваша программа пройдёт все тесты и зависнет во время работы.

Класс ReentrantLock является наиболее используемой реализацией интерфейса Lock.

Этот класс добавляет дополнительную опцию справедливости.

Конструктор этого класса принимает необязательный параметр fairness.

Когда установлено true, при конкуренции нескольких потоков для получения блокировки, доступ предоставляется самому долго ожидающему потоку.

В противном случае блокировка не гарантирует какой-либо конкретный порядок доступа.

Простая синхронизация также не гарантирует какой-либо конкретный порядок получения блокировки для нескольких конкурирующих потоков.

В качестве примера, в случае простой синхронизации, у нас есть класс, имеющий синхронизированный блок, в котором производится декремент числа.

Многопоточное программирование и его проблемы | GeekBrains

Первая обзорная статья из цикла. Зачем оно нужно, и почему с ним так много сложностей.

https://d2xzmw6cctk25h.cloudfront.net/post/1309/og_cover_image/8f8cf85c6f838a6e0eddf555c677129a

Здравствуйте!

Как только инженеры придумали многопроцессорные системы, перед программистами сразу встала проблема: как с наименьшими затратами обеспечить параллельное выполнение кода. И хотя с тех пор прошло немало времени, главные принципы не изменились.

В этом цикле статей я хочу рассказать о том, как многопоточное программирование реализовано в разных языках, и как их разработчики смогли облегчить жизнь программистам.

Но сначала мы поговорим об основах. Важное предупреждение: это очень поверхностная и обзорная статья. Если вам кажется, что в ней сказано недостаточно — вам не кажется. Подробности позже. Сейчас общее.

Concurrent vs Parallel vs Async

На Stackoverflow есть популярный вопрос: «чем concurrent отличается от parallel в контексте программирования?». Вот мое видение вопроса.

Concurrent — это постановка проблемы. Я хочу, чтобы некоторые части моего кода выполнялись независимо друг от друга, одновременно.

Parallel — это один из способов решения проблемы одновременности, когда задачи выполняются на отдельных процессорах или ядрах параллельно.

Другой способ решения этой проблемы — выполнение задач в одном потоке в режиме разделения времени: выполняем кусок одной задачи, потом кусок другой, и так далее. Для пользователя это выглядит так, будто задачи выполняются одновременно.

См. также: сопрограммы (coroutines)

Скажем, Erlang реализует сразу два подхода к одновременному выполнению задач: он запускает несколько планировщиков, каждый из которых работает на своем процессорном ядре, и распределяет между ними потоки виртуальной машины. Но так как потоков обычно гораздо больше, чем планировщиков, то каждый планировщик внутри себя реализует вытесняющую многозадачность на основе сокращений(reductions). При этом конкретный поток работает абсолютно, идеально синхронно со стороны кода. Я расскажу о планировщике Erlang в деталях в одной из следующих статей. Там все очень интересно.

Async — вообще совершенно отдельная от многопоточности тема, потому что асинхронное выполнение кода возможно в одном потоке без concurrency. Пример — JavaScript: он однопоточный, он не реализует concurrency, и при этом вы можете отложить выполнение куска кода на потом с помощью петли событий. У нас в блоге есть подробный разбор того, как работает JavaScript.

Ради справедливости нужно заметить, что есть экспериментальные реализации многопоточного движка JavaScript, который реализует concurrency. Вот, взгляните: https://medium.com/@voodooattack/multi-threaded-javascript-introduction-faba95d3bd06

Многозадачность

Я выделяю два основных вида многозадачности.

Вытесняющая
Это то, как работают планировщики современных операционных систем: ОС сама решает, когда и сколько времени она даст каждому потоку, а мнением потока никто не интересуется. При этом для потока переключение контекста происходит незаметно.

Применительно к языкам программирования, вытесняющая многозадачность — когда управление задачами берет на себя виртуальная машина, а сами задачи не имеют возможности управлять переключением.

Такая многозадачность реализована в Erlang, Go и Haskell.

Кооперативная
Тут все наоборот: потоки сами передают управление другим потокам, когда захотят. В старых ОС были именно такие планировщики.  Кооперативная многозадачность реализована во многих языках, например в Python, OCaml, Ruby, Node.js.

Проблема кооперативности очевидна: поскольку управление потоками по сути передается в руки программиста, появляется множество возможностей отстрелить ногу по самое колено.

Кроме того, есть еще невытесняющая многозадачность, но я отношу ее к краевому случаю кооперативной. По сути, это переключение задач по желанию пользователя. iOS-разработчики могут помнить, как было реализовано переключение между приложениями в первых версиях iOS: когда пользователь сворачивал приложение, ОС говорила ему: я собираюсь остановить твое выполнение, сохрани свое состояние. При повторном запуске приложения ОС передавала ему сохраненное состояние, и для пользователя это выглядело так, будто приложение продолжало работать с того же места, где было свернуто.

Проблемы планирования задач

Если вы хотите реализовать свой планировщик задач, перед вами встанут два главных вопроса: по какому принципу вы будете переключаться между задачами, и в каком порядке будете задачи выполнять?

Переключение контекста
У первой проблемы есть несколько возможных решений. Самое простое — просто подождать, пока задача закончится. Но что вы будете делать, если в одной из задач вдруг окажется бесконечный цикл? По такому принципу работает JavaScript, однако при достаточно долгом выполнении одной задачи вмешается уже сам браузер и предложит остановить обнаглевший скрипт.

Более сложные варианты — переключать задачи по времени выполнения, или по количеству вызовов функций (по сокращениям). Про сокращения мы еще поговорим позже.

Приоритеты
Теперь второй вопрос: как отсортировать очередь задач, чтобы всем досталось немного времени, и никто не обиделся? Ну, можно вообще не париться, и просто выполнять задачи по очереди: первый зашел, первый вышел (FIFO). Но в таком случае при постоянном притоке задач каждая задача будет вынуждена подождать, пока до нее дойдет очередь.

Можно случайным образом брать задачи из очереди, и при небольшом количестве задач эта стратегия себя оправдывает.

Наконец, можно реализовать систему приоритетов, как это сделано в планировщиках современных ОС.

Языки с реализованными планировщиками решают для себя эти вопросы по-разному, в зависимости от приоритетов разработчиков языка. Скажем, Erlang позиционируется как soft-realtime язык, поэтому он крайне агрессивно и часто переключает контекст, чтобы как можно быстрее дать отработать каждой задаче хотя бы частично.

Общая память

Синхронизация доступа к данным — одна из первых вещей, с которыми столкнется человек, берущийся за многопоточное программирование в низкоуровневых языках. Скажем, C вообще не имеет встроенных примитивов для синхронизации доступа, и вам как минимум потребуется использовать POSIX Semaphores или написать свое решение. В Java есть уже некоторые полезные штуки, но вам все равно придется сперва разобраться в том, как они работают.

А сама проблема заключается в том, что в большинстве языков с неизолированными потоками два потока могут читать или писать в одну переменную, никого о том не предупреждая. Если не разруливать такие ситуации, можно легко получить неопределенное поведение программы.

Для решения этой проблемы применяют блокировки, неблокирующий доступ (CAS) и некоторые особенности конкретных языков.

Блокировки
Блокировки работают очень просто: прежде чем писать в переменную, поток должен захватить семафор. Остальные потоки будут вынуждены ждать, пока семафор не освободится, и лишь потом один из других потоков снова захватит семафор, и так далее. Разумеется, это медленно работает, а также намертво блокирует ожидающие потоки. Кроме того, можно прекрасным образом написать код с взаимными блокировками.

Краевой случай семафора — мьютекс, максимально упрощенный семафор. Главное в нем то, что только один поток в один момент времени может владеть мьютексом.  Операционные системы часто имеют свои высокопроизводительные реализации мьютексов — фьютексы в Linux, FAST_MUTEX в Windows. Кроме того, в различных языках есть свои специализированные реализации мьютексов для особых задач.

Не-блокировки
Чтобы избежать части проблем, придумали неблокирующие реализации синхронизации. Одна из них — CAS, compare and set. Я оставлю ссылку, чтобы вы могли почитать о том, как это работает: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сравнение_с_обменом. И вот еще вам небольшая презентация: slideshare.net/23derevo/nonblocking-synchronization

Наконец, есть еще один железобетонный способ избежать проблем с синхронизацией: давайте просто запретим потокам писать в общую память. Пусть у каждого потока будет своя куча, где он будет хранить свои данные, а если нужно обменяться информацией — пусть шлет сообщение другому потоку. Такая модель реализована в Go и Erlang, например.

Haskell первым реализовал еще один подход к проблеме синхронизации — STM, software transactional memory. По сути, это реализация транзакционного чтения-записи в общую память, аналогично тому, как устроены транзакции в базах данных. Подробнее можно почитать тут: https://ru.wikipedia.org/wiki/Программная_транзакционная_память

Итак, мы немного посмотрели о том, какие проблемы несет в себе многопоточное программирование и как их теоретически можно решить. В следующих статьях мы посмотрим, как с этими проблемами справляются разработчики разных языков программирования.

Многопоточность JAVA — (1) многопоточное программирование

Многопоточное программирование на JAVA

Каталог статей

[1] Создание темы

• Создание потока:

Если вы хотите использовать Thread для создания потоков, вам необходимо создать новый класс для наследования Thread и повторно запустить метод.

class MyThread extends Thread {
    
    
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Это новая ветка");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String args[]){
        
       MyThread myThread = new MyThread();
       
       myThread. start();
    }
}

• Runnable
  Чтобы использовать runnable, вам нужно написать класс, реализующий этот интерфейс, но этот метод не возвращает значение

class MyTask implements Runnable {

    
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Это новая ветка");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String args[]) {
        
        MyTask task = new MyTask();
        
        Thread thread = new Thread(task);
        
        
        thread.start();
    }
}

[2] Переход состояния потока

• 1. Новое состояние (Новое): вновь создается объект потока.

• 2. Состояние готовности (Runnable): после создания объекта потока другие потоки вызывают метод start () объекта. Потоки в этом состоянии находятся в «пуле исполняемых потоков» и становятся работоспособными, просто ожидая получения права на использование ЦП. То есть все ресурсы, необходимые для работы процесса в состоянии готовности, за исключением ЦП, были получены.

• 3. Состояние выполнения (выполняется): поток в состоянии готовности захватывает ЦП и выполняет программный код.

• 4. Заблокированное состояние (Заблокировано). Заблокированным состоянием является то, что поток по какой-либо причине отказывается от права использовать ЦП и временно прекращает работу. Пока поток не перейдет в состояние готовности, у него есть возможность перейти в состояние выполнения.

• 5. Мертвое состояние (Dead): поток завершает свое выполнение или выходит из метода run () из-за исключения, поток завершает свой жизненный цикл.

Для получения подробных сведений о смене статуса потока перейдите в блог: https://blog.csdn.net/wenge1477/article/details/90481125

[3] Хранитель ветки

Пока какой-либо поток, не являющийся демоном, в текущем экземпляре JVM не завершается, поток демона будет работать; только когда завершится последний поток, не являющийся демоном, поток демона завершится с помощью JVM. Роль Daemon заключается в предоставлении удобных сервисов для работы других потоков. Наиболее типичным применением сторожевого потока является GC (сборщик мусора), который является очень компетентным хранителем.

В java есть два типа потоков:
1, поток пользователя (поток пользователя)
2, поток демона (поток демона)

class MyTask implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Это новая ветка");
    }
    
}

public class Main {
    public static void main(String args[]) {
        
        MyTask task = new MyTask();
        
        Thread thread = new Thread(task);

        
        thread.setDaemon(true);

        
        thread.start();
    }
}

• // Установить daemonThread как поток демона, по умолчанию false (поток не-демон)

 daemonThread.setDaemon(true);  

• // Проверяем, является ли текущий поток потоком демона, возвращаем true, чтобы быть потоком демона

 daemonThread.isDaemon();  

[Четыре] потока синхронизации

То есть, когда поток работает с памятью, никакие другие потоки не могут работать с этим адресом памяти. Пока поток не завершит операцию, другие потоки могут работать с адресом памяти, а другие потоки находятся в состоянии ожидания для реализации потока. Есть много способов синхронизации, объект критического сечения — один из них.

• synchronied
  синхронно для блокировки объекта, блокировки объекта,
• ReentranLock
• ReadWriteLock
• ждать и уведомлять
• condition
• Очередь блокировки
• CountDownLatch
• CyclicBarrier

[5] Тупиковый поток

Тупик — это явление, при котором два или более процесса блокируются из-за конкуренции за ресурсы или из-за связи друг с другом во время выполнения. Если нет внешней силы, они не смогут продвигаться. В это время считается, что система находится в состоянии тупика или система находится в тупике. Эти процессы, которые всегда ждут друг друга, называются процессами тупика. Ресурсы, принадлежащие каждой стороне, не высвобождаются, и они действительно запрашивают ресурсы в руках другой стороны, чтобы сформировать взаимное ожидание.

• Взаимоисключающие условия: ресурс может одновременно использоваться только одним процессом.

• Условия запроса и удержания: когда процесс блокируется запросом ресурсов, он продолжает удерживать полученные ресурсы.

• Условия отсутствия депривации: ресурсы, уже полученные процессом, не могут быть принудительно лишены до того, как они будут израсходованы.

• Условие циклического ожидания: между несколькими процессами формируется своего рода циклическое отношение ресурса ожидания.

Пример тупика:

public class DeadLockSample extends Thread{
    private String first;
    private String second;
    public DeadLockSample (String name,String first,String second){
        super(name);
        this.first = first;
        this.second = second;
    }

    public void run(){
        synchronized (first){
            System.out.println(this.getName() + " obtained:" + first);

            try {
                Thread.sleep(1000L);
                synchronized (second){
                    System.out.println(this.getName() +" obtained: " + second);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        String lockA = "lockA";
        String lockB = "lockB";
        DeadLockSample t1 = new DeadLockSample("Thread1",lockA,lockB);
        DeadLockSample t2 = new DeadLockSample("Thread2",lockB,lockA);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

    }

}
 Результат:
Thread1 obtained:lockA
Thread2 obtained:lockB
 или
Thread2 obtained:lockB
Thread1 obtained:lockA

Несколько методов предотвращения тупика:

• Последовательность блокировки (потоки блокируются в определенном порядке)
  Если вы можете гарантировать, что все потоки устанавливают блокировки в одном и том же порядке, взаимоблокировки не возникнут.

• Ограничение времени блокировки (добавляется определенный предел времени, когда поток пытается получить блокировку, и при превышении ограничения по времени он откажется от запроса блокировки и освободит свою собственную блокировку)
  Установите ограничение по времени при подаче заявки на ресурсы. Когда время истечет, вы не будете подавать заявку на ресурсы. Например, метод блокировки tryLocak может установить время

• Обнаружение тупиковых ситуаций

【 】 синхронно

Ключевое слово synchronized — незаменимый инструмент в параллельном программировании Java.Синхронизированный реализуется на основе внутренней сущности, называемой внутренней блокировкой или блокировкой монитора (в спецификации Api это часто просто называют «монитором»). Внутренние блокировки играют роль в двух аспектах синхронизации: принуждение к монопольному доступу к состоянию объекта и установление связи «происходит до того», что важно для видимости.

• Блок кода синхронизации
  То, что заблокировано, является объектом

1,Первый 
 public void getCunt(){
        synchronized (this){
            System.out.println(«Это синхронный блок кода !!!»);
        }
}

2, Секунда
 public synchronized void getCunt() {
        System.out.println(«Это синхронный блок кода !!!»);
}

• Метод синхронизации
  Заблокирован класс текущего класса.

1,Первый 
public void getCunt() {
        synchronized (Main.class) {
            System.out.println(«Это синхронный блок кода !!!»);
        }
}

2, Секунда
public static synchronized void getCunt() {
        System.out.println(«Это синхронный блок кода !!!»);
    }

[7] ждать и уведомлять

public class Main {
    public static void main(String args[]){
        String lock = new String();

        Stack<Integer> stack = new Stack<>();
        AtomicInteger i = new AtomicInteger(1);

        
        Thread producer = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                while (stack. isEmpty()) {
                    stack.push(new Integer(i.getAndIncrement()));
                    lock.notifyAll();
                    try {
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        });

        
        Thread consumer = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                while (!stack.isEmpty()) {
                    System.out.print(stack.pop()+" ");
                    lock.notifyAll();
                    try {
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        });
        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

[Восемь] ссылка

https://blog.csdn.net/J080624/article/details/82721827
https://www.jianshu.com/p/f2c91afe6266

Читать «Java: руководство для начинающих (ЛП)» — Шилдт Герберт — Страница 82

} «`Упражнение для самопроверки

по материалу главы 10

Для чего в Java определены как байтовые, так и символьные потоки?

Как известно, ввод-вывод данных на консоль осуществляется в текстовом виде. Почему же в Java для этой цели используются байтовые потоки?

Как открыть файл для чтения байтов?

Как открыть файл для чтения символов?

Как открыть файл для ввода-вывода с произвольным доступом?

Как преобразовать числовую строку «123.23» в двоичный эквивалент?

Напишите программу, которая будет копировать текстовые файлы. Видоизмените ее таким образом, чтобы все пробелы заменялись дефисами. Используйте при написании программы классы, представляющие байтовые потоки, а также традиционный способ закрытия файла явным вызовом метода close ().

Перепишите программу, созданную в ответ на предыдущий вопрос, таким образом, чтобы в ней использовались классы, представляющие символьные потоки. На этот раз воспользуйтесь оператором try с ресурсами для автоматического закрытия файла.

К какому типу относится поток System. in?

Что возвращает метод read () из класса InputStream по достижении конца потока?

Поток какого типа используется для чтения двоичных данных?

Классы Reader и Writer находятся на вершине иерархии классов _ .

Оператор try без ресурсов служит для __ .

Если для закрытия файла используется традиционный способ, то это лучше всего делать в блоке finally. Верно или неверно?

Глава 11 Многопоточное программирование

Основные навыки и понятия

Общее представление о многопоточной обработке

Класс Thread и интерфейс Runnable

Создание потока

Создание нескольких потоков

Определение момента завершения потока

Использование приоритетов потоков

Представление о синхронизации потоков

Применение синхронизированных блоков

Взаимодействие потоков

Приостановка, возобновление и остановка потоков

Среди многих замечательных свойств языка Java особое место принадлежит поддержке многопоточного программирования. Многопоточная программа состоит из двух или более частей, выполняемых параллельно. Каждая часть такой программы называется потоком и определяет отдельный путь выполнения команд. Таким образом, многопоточная обработка является особой формой многозадачности.Общее представление о многопоточной обработке

Различают две разновидности многозадачности: на основе процессов и на основе потоков. В связи с этим важно понимать отличия между ними. Процесс фактически представляет собой исполняемую программу. Поэтому многозадачность на основе процессов — это средство, благодаря которому на компьютере могут параллельно выполняться две программы или более. Так, многозадачность на основе процессов позволяет одновременно выполнять программы текстового редактора, электронных таблиц и просмотра содержимого в Интернете. При организации многозадачности на основе процессов программа является наименьшей единицей кода, выполнение которой может координировать планировщик задач.

Поток представляет собой координируемую единицу исполняемого кода. Своим происхождением этот термин обязан понятию “поток исполнения”. При организации многозадачности на основе потоков у каждого процесса должен быть по крайней мере один поток, хотя их может быть и больше. Это означает, что в одной программе одновременно можно решать две и более задачи. Например, текст может форматироваться в редакторе текста одновременно с его выводом на печать, при условии, что оба эти действия выполняются в двух отдельных потоках. Несмотря на то что программы на Java выполняются в среде, поддерживающей многозадачность на основе процессов, в самих программах управлять процессами нельзя. В них можно управлять только потоками.

Главное преимущество многопоточной обработки заключается в том, что она позволяет писать программы, которые работают очень эффективно благодаря возможности выгодно использовать время простоя, неизбежно возникающее в ходе выполнения большинства программ. Как известно, большинство устройств ввода-вывода, будь то устройства, подключенные к сетевым портам, накопители на дисках или клавиатура, работают намного медленнее, чем центральный процессор (ЦП). Поэтому большую часть своего времени программе приходится ожидать отправки данных на устройство ввода-вывода или приема информации из него. А благодаря многопоточной обработке программа может решать какую-нибудь другую задачу во время вынужденного простоя. Например, в то время как одна часть программы отправляет файл через соединение с Интернетом, другая ее часть может выполнять чтение текстовой информации, вводимой с клавиатуры, а третья — осуществлять буферизацию очередного блока отправляемых данных.

Как известно, за последние несколько лет широкое распространение нашли многопроцессорные или многоядерные вычислительные системы, хотя по-прежнему повсеместно используются и однопроцессорные системы. В этой связи следует иметь в виду, что языковые средства организации многопоточной обработки в Java пригодны для обеих разновидностей вычислительных систем. В одноядерной системе параллельно выполняющиеся потоки разделяют ресурсы одного ЦП, получая по очереди квант времени ЦП. Поэтому в одноядерной системе два или более потока на самом деле не выполняются параллельно, а лишь используют время простоя ЦП. С другой стороны, в многопроцессорных или многоядерных системах два потока или более могут выполняться параллельно. Это, как правило, позволяет повысить производительность программ и скорость выполнения отдельных операций.

Поток может находиться в одном из нескольких состояний. В целом поток может быть выполняющимся; готовым к выполнению, как только он получит время и ресурсы ЦП; приостановленным, т.е. временно не выполняющимся; возобновленным в дальнейшем; заблокированным в ожидании ресурсов для своего выполнения; а также завершенным, когда его выполнение окончено и не может быть возобновлено.

В связи с организацией многозадачности на основе потоков возникает потребность в особого рода режиме, который называется синхронизацией и позволяет координировать выполнение потоков вполне определенным образом. Для такой синхронизации в Java предусмотрена отдельная подсистема, основные средства которой рассматриваются в этой главе.

Если вы пишете программы для таких операционных систем, как Windows, то принципы многопоточного программирования вам должны быть уже знакомы. Но то обстоятельство, что в Java имеются языковые средства для поддержки потоков, упрощает организацию многопоточной обработки, поскольку избавляет от необходимости реализовывать ее во всех деталях.Класс Thread и интерфейс Runnable

В основу системы многопоточной обработки в Java положены класс Thread и интерфейс Runnable, входящие в пакет java. lang. Класс Thread инкапсулирует поток исполнения. Для того чтобы образовать новый поток, нужно создать класс, являющийся подклассом Thread или реализующий интерфейс Runnable.

В классе Thread определен ряд методов, позволяющих управлять потоками. Некоторые из этих наиболее употребительных методов описаны ниже. По мере их представления в последующих примерах программ вы ознакомитесь с ними поближе.МетодОписаниеfinal String getName()Получает имя потокаfinal int getPriority()Получает приоритет потокаfinal boolean isAliveOОпределяет, выполняется ли потокfinal void join()Ожидает завершения потокаvoid run()Определяет точку входа в потокstatic void sleep(long миллисекунд)Приостанавливает исполнение потока на указанное число миллисекундvoid start()Запускает поток, вызывая его метод run ()

В каждом процессе имеется как минимум один поток исполнения, который называется основным потоком. Он получает управление уже при запуске программы.

Следовательно, во всех рассматривавшихся до сих пор примерах программ использовался основной поток. От основного потока могут быть порождены другие, подчиненные потоки.Создание потока

Тема 9. Введение в многопоточное программирование

Содержание Параллельное исполнение Развитие параллельных систем Потоки и процессы Типы параллелизма Итеративный Рекурсивный Обмен сообщениями Неделимые операции Безусловные Условные Свойства планировщика Потоки Создание потоков Состояния и свойства потоков Завершение потоков Механизм прерывания Синхронизация и блокировки Синхронизация Неявные блокировки Активное ожидания Мониторы и условия Мониторы Условия и работа с ними Пассивное ожидание Внезапные пробуждения Модель памяти Java Атомарность операций Видимость изменений и барьеры Упорядоченность изменений Volatile-переменные Примеры многопоточных программ Двусторонний барьер Гарантированный тупик Уровни безопасности Неизменяемые объекты Потокобезопасные объекты Потоконебезопасные объекты Thread-local objects Домашнее задание 7. Итеративный параллелизм Итеративный параллелизм Реализуйте класс IterativeParallelism, который будет обрабатывать списки в несколько потоков. В простом варианте должны быть реализованы следующие методы: minimum(threads, list, comparator) — первый минимум; maximum(threads, list, comparator) — первый максимум; all(threads, list, predicate) — проверка, что все элементы списка удовлетворяют предикату; any(threads, list, predicate) — проверка, что существует элемент списка, удовлетворяющий предикату. В сложном варианте должны быть дополнительно реализованы следующие методы: filter(threads, list, predicate) — вернуть список, содержащий элементы удовлетворяющие предикату; map(threads, list, function) — вернуть список, содержащий результаты применения функции; join(threads, list) — конкатенация строковых представлений элементов списка. Во все функции передается параметр threads — сколько потоков надо использовать при вычислении. Вы можете рассчитывать, что число потоков не велико. Не следует рассчитывать на то, что переданные компараторы, предикаты и функции работают быстро. При выполнении задания нельзя использовать Concurrency Utilities. Рекомендуется подумать, какое отношение к заданию имеют моноиды.

Многопоточное программирование в Kotlin | OTUS

Android → Полезные материалы по Android

Теги: callback, yield, thread, корутины, kotlin, асинхронное программирование, многопоточное программирование, futures/promises, callback-passing, async task, rxjava

Корутины в Kotlin — одна из «больших фичей», как было сказано JetBrains. Мы все знаем, что блокировка при высоких нагрузках и частые опросы — не самые блестящие идеи, а мир становится всё более и более push-based и асинхронным.

Многие языки (начиная с C# в 2012 году) поддерживают асинхронное программирование благодаря специальным языковым конструкциям, например, ключевым словам async/await. В Kotlin эта концепция была обобщена, чтобы библиотеки могли определять версии таких конструкций, а async превратился из ключевого слова в простую функцию. Такой дизайн позволяет интегрировать различные асинхронные API: futures/promises, callback-passing и т.д. Он также подходит для выражения ленивых генераторов (yield) и других вариантов использования.

Какова практическая польза?

Итак, корутины — новая классная фича в языке Kotlin (пусть пока и экспериментальная), которая позволяет писать асинхронный код более естественно — вы сможете писать асинхронный код в своём проекте точно так же, как обычно пишете синхронный.

Для асинхронного программирования вам, возможно, приходилось использовать Async Task’и, Thread’ы (которые могли блокировать, эх…), Callback’и или даже RxJava. Использование callback’ов могло вогнать в так называемый «Ад callback’ов» — привет всем JS-программистам, которые это читают. А в RxJava я заметил довольно сложную кривую обучения, которую нужно покорить, чтобы понять, как использовать комбинаторы для соединения нескольких асинхронных вызовов.

В документации Kotlin сказано, что корутины — легковесная альтернатива потоков. Они предлагают способ избежать блокировки потока и заменить его более дешевой и контролируемой операцией.

Команда Kotlin представила корутины для простой реализации многопоточного программирования. Наверняка многие из читателей уже работали с какими-то инструментами многопоточности на базе потоков, например Concurrency API в Java. Я много работал с многопоточным кодом в Java и убеждён в развитости API.

Корутины проще в использовании, но есть несколько правил. Основная идея заключается в том, что корутины — просто блоки кода, которые можно приостанавливать, не блокируя поток. Отличие в том, что блокировка потока не позволяет ему больше ничего делать, в то время как приостановка означает, что он может делать другие вещи, ожидая завершения приостановленного блока.

Полезная статья на тему

Хотите узнать больше? Задавайте вопросы в комментариях!

Многопоточность в Java — javatpoint

Многопоточность в Java — это процесс одновременного выполнения нескольких потоков.

Поток — это легкий подпроцесс, наименьшая единица обработки. Многопроцессорность и многопоточность используются для достижения многозадачности.

Однако мы используем многопоточность, а не многопроцессорность, потому что потоки используют общую область памяти. Они не выделяют отдельную область памяти, что экономит память, а переключение контекста между потоками занимает меньше времени, чем процесс.

Java Многопоточность в основном используется в играх, анимации и т. Д.

---

Преимущества многопоточности Java

1) Это не блокирует пользователя , потому что потоки независимы, и вы можете выполнять несколько операций одновременно.

2) Вы можете выполнять множество операций вместе, что экономит время .

3) Потоки независимы , поэтому это не влияет на другие потоки, если в одном потоке возникает исключение.

---

Многозадачность

Многозадачность — это процесс одновременного выполнения нескольких задач. Мы используем многозадачность, чтобы задействовать центральный процессор. Многозадачность может быть достигнута двумя способами:

• Многозадачность на основе процессов (многопроцессорность)
• Многозадачность на основе потоков (многопоточность)

1) Многозадачность на основе процессов (многопроцессорность)

• У каждого процесса есть адрес в памяти. Другими словами, каждый процесс выделяет отдельную область памяти.
• Процесс тяжелый.
• Стоимость связи между процессами высока.
• Для переключения с одного процесса на другой требуется некоторое время для сохранения и загрузки регистров, карт памяти, обновления списков и т. Д.

2) Многозадачность на основе потоков (многопоточность)

• Потоки используют одно и то же адресное пространство.
• Нить легкая.
• Стоимость связи между потоками низкая.

Примечание. Для каждого потока требуется по крайней мере один процесс.

Что такое поток в Java

Поток — это легкий подпроцесс, наименьшая единица обработки. Это отдельный путь исполнения.

Потоки независимые. Если в одном потоке возникает исключение, это не влияет на другие потоки. Он использует общую область памяти.

Как показано на рисунке выше, внутри процесса выполняется поток. Между потоками происходит переключение контекста. Внутри ОС может быть несколько процессов, и один процесс может иметь несколько потоков.

Примечание: одновременно выполняется только один поток.

Класс потока Java

Java предоставляет Thread class для программирования потоков. Класс Thread предоставляет конструкторы и методы для создания и выполнения операций в потоке. Класс Thread расширяет класс Object и реализует интерфейс Runnable.

Методы потоков Java

Модификатор

С.Н.	и тип	Метод	Описание
1)	пусто	начало ()	Используется для запуска выполнения потока.
2)	пусто	пробег ()	Используется для выполнения действия с потоком.
3)	статическая пустота	спать ()	Засыпает поток на указанное время.
4)	статическая резьба	currentThread ()	Возвращает ссылку на объект потока, выполняющийся в данный момент.
5)	пусто	присоединиться ()	Ожидает смерти нити.
6)	внутренний	getPriority ()	Возвращает приоритет потока.
7)	пусто	setPriority ()	Изменяет приоритет потока.
8)	Строка	getName ()	Возвращает имя потока.
9)	пусто	setName ()	Изменяет имя потока.
10)	длинный	getId ()	Возвращает идентификатор потока.
11)	логическое	isAlive ()	Проверяет, жив ли поток.
12)	статическая пустота	yield ()	Он заставляет текущий выполняющийся объект потока приостанавливать и разрешать выполнение другим потокам временно.
13)	пусто	приостановить ()	Используется для подвешивания нити.
14)	пусто	резюме ()	Используется для возобновления приостановленной нити.
15)	пусто	стоп ()	Используется для остановки резьбы.
16)	пусто	уничтожить ()	Используется для уничтожения группы потоков и всех ее подгрупп.
17)	логическое	isDaemon ()	Проверяет, является ли поток потоком демона.
18)	пусто	setDaemon ()	Он отмечает поток как демон или пользовательский поток.
19)	пусто	прерывание ()	Прерывает поток.
20)	логическое	прерван ()	Проверяет, был ли поток прерван.
21)	статическое логическое значение	прервано ()	Проверяет, был ли прерван текущий поток.
22)	статический интервал	activeCount ()	Возвращает количество активных потоков в группе потоков текущего потока.
23)	пусто	checkAccess ()	Он определяет, есть ли у текущего запущенного потока разрешение на изменение потока.
24)	статическое логическое значение	holdLock ()	Возвращает истину тогда и только тогда, когда текущий поток удерживает блокировку монитора для указанного объекта.
25)	статическая пустота	dumpStack ()	Он используется для вывода трассировки стека текущего потока в стандартный поток ошибок.
26)	StackTraceElement []	getStackTrace ()	Возвращает массив элементов трассировки стека, представляющий дамп стека потока.
27)	статический интервал	перечислить ()	Он используется для копирования каждой группы потоков активного потока и ее подгруппы в указанный массив.
28)	Thread.State	getState ()	Используется для возврата состояния потока.
29)	Группа потоков	getThreadGroup ()	Используется для возврата группы потоков, к которой принадлежит этот поток
30)	Строка	toString ()	Он используется для возврата строкового представления этого потока, включая имя потока, приоритет и группу потоков.
31)	пусто	уведомить ()	Он используется для отправки уведомления только одному потоку, ожидающему определенного объекта.
32)	пусто	notifyAll ()	Он используется для отправки уведомления всем ожидающим потокам определенного объекта.
33)	пусто	setContextClassLoader ()	Устанавливает контекст ClassLoader для потока.
34)	Загрузчик классов	getContextClassLoader ()	Возвращает контекст ClassLoader для потока.
35)	статический Thread.UncaughtExceptionHandler	getDefaultUncaughtExceptionHandler ()	Возвращает обработчик по умолчанию, вызываемый, когда поток внезапно завершается из-за неперехваченного исключения.
36)	статическая пустота	setDefaultUncaughtExceptionHandler ()	Устанавливает обработчик по умолчанию, вызываемый, когда поток внезапно завершается из-за неперехваченного исключения.

Знаете ли вы

• Как выполнить две задачи двумя потоками?
• Как выполнить многопоточность анонимным классом?
• Что такое планировщик потоков и в чем разница между упреждающим планированием и квантованием времени?
• Что произойдет, если мы запустим поток дважды?
• Что произойдет, если мы вызовем метод run () вместо метода start ()?
• Какова цель метода соединения?
• Почему JVM завершает поток демона, если не осталось пользовательских потоков?
• Что такое крючок выключения?
• Что такое сборка мусора?
• Какова цель метода finalize ()?
• Что делает метод gc ()?
• Что такое синхронизация и зачем ее использовать?
• В чем разница между синхронизированным методом и синхронизированным блоком?
• Какими двумя способами можно выполнять статическую синхронизацию?
• Что такое тупик и когда это может произойти?
• Что такое межпотоковое общение или сотрудничество?

Что мы узнаем в многопоточности

• Многопоточность
• Жизненный цикл резьбы
• Два способа создания потока
• Как выполнять несколько задач несколькими потоками
• Планировщик потоков
• Спящая нить
• Можем ли мы запустить поток дважды?
• Что произойдет, если мы вызовем метод run () вместо метода start ()?
• Присоединение к потоку
• Именование темы
• Приоритет потока
• Демоническая нить
• Крюк выключения
• Сборка мусора
• Синхронизация методом синхронизации
• Синхронизированный блок
• Статическая синхронизация
• Тупик
• Межпоточная связь

Многопоточность

Многопоточность

Многопоточность

Многопоточное выполнение (i.е., выполнение нескольких задач одновременно или одновременно) является важной особенностью Java Платформа. Выполнение каждой задачи — поток.

Каждое приложение имеет хотя бы один поток — или несколько, если вы подсчитывать «системные» потоки, которые выполняют такие функции, как управление памятью и обработка сигналов. Но с точки зрения программиста, вы начинаете только с одним потоком, называемым основным потоком. В этой ветке есть возможность создавать дополнительные потоки.

На этой странице мы показываем несколько примеров адаптированной многопоточности из учебника.Эти примеры находятся в chapter20.zip.

Runnable и ExecutorService

В многопоточной среде необходимо создавать потоки, запланирован для запуска, приостановлен, возобновлен и завершен. Java делает простое управление потоками для программистов благодаря высокоуровневому API для многопоточного программирования.

Пакет исполнителя в проекте chapter20 показывает, как запустить несколько потоков. Каждая задача, которая должна выполняться как отдельный поток должен быть указан в методе run () Runnable интерфейс.В нашем примере PrintTask и классы CountTask реализуют Runnable интерфейс. После создания объектов типа Runnable, потоки запускаются и планируются объектом ExecutorService класс. Это показано в методе main () класса TaskExecutor. класс.

Важно отметить, что порядок и сроки операции, выполняемые потоками, контролируются средой выполнения система и не может управляться программистом.

Синхронизация потоков

Самое сложное в многопоточном программировании — это синхронизировать операции, выполняемые разными потоками.Когда несколько потоков необходимо обновить информацию, хранящуюся в общей объект, необходимо обеспечить некоторый порядок, чтобы избежать непреднамеренного последствия. Java предоставляет для этой цели механизм блокировки. Когда один поток хочет получить доступ к общему объекту, он должен заблокировать объект, и когда он закончит использовать объект, он должен разблокировать объект. Таким образом, каждый поток будет иметь эксклюзивный доступ. к объекту, когда потоку нужен объект.

Вместо написания программ с явным использованием блокировки / разблокировки механизм, Java предоставляет ряд потоковобезопасных классов, которые правильно и качественно осуществить блокировку.В синхрон2 пакет, мы показываем, как ключевое слово синхронизируется в add () метод класса SimpleArray (объект, совместно используемый двумя ArrayWriter Threads) влияет на порядок, в котором два потока обращаются к массиву.

В пакете synch3 мы рассматриваем производителя / потребителя приложение, в котором один или несколько объектов-производителей записывают данные в общий буфер и один или несколько объектов-потребителей читают (или потребляют) данные из общего буфера. Есть несколько способов реализовать общий буфер.Класс UnsynchronizedBuffer показывает, что использование несинхронизированный ArrayList, поскольку буфер не будет потокобезопасный. BlockedBuffer показывает, что класс Java ArrayBlockedQueue по своей сути является потокобезопасным. Классы CircularBuffer и SynchronizedBuffer показать, как реализовать методы доступа для обеспечения потока синхронизация.

Многопоточный графический интерфейс

В программировании с графическим интерфейсом Java к представлению следует обращаться только из одного поток, метод, называемый ограничением потока.

Java Swing

Для предотвращения длительного вычисление от замораживания графического интерфейса, Java предоставляет SwingWorker класс, который может быть расширен для реализации длительных вычислений в отдельный поток.

В пакете threadgui BackgroundCalculator class расширяет класс SwingWorker и вычисляет Число Фибоначчи в отдельном потоке. PrimeCalculator расширяет SwingWorker для поиска простых чисел в отдельном нить.

JavaFX

JavaFX имеет собственные встроенные классы для обработки потоков, включая интерфейс Worker и его подклассы Task и Service.Этот проект демонстрирует JavaFX с потоками и без них, мотивируя их использование в долгосрочных задачах.

Free Multithreading Tutorial — Освойте многопоточное программирование на Java с нуля (современное)

******* Обзор курса *******

Добро пожаловать на этот удивительный курс по многопоточному программированию на Java.

Курс познакомит вас с важными аспектами многопоточности в java.

Курс предоставит глубокое понимание потокового и параллельного программирования на java с использованием современных java-технологий и синтаксиса

Мы будем создавать Java-потоковые приложения реального мира с использованием современных java-технологий, таких как Lambda и Streams

Курс для начинающих подходят для опытных программистов

Каждый из моих курсов включает в себя:

Удивительный практический пошаговый опыт обучения

Опыт реальной реализации

Ниже приводится список модулей, охватываемых этим курсом.

*************** Детали курса **********************

Раздел 1: Введение

Шаг -01: ​​Введение

Шаг-02: Введение в поток

Шаг-03: Обзор установки Java Development Kit

Шаг-04: Установка Intellij IDEA для Windows

Шаг-05: Конфигурация IntelliJ IDEA

Шаг-04: Git Ссылка на репозиторий

Шаг 05: Настройка среды разработки — Код импорта

Раздел 2: Основы многопоточности

Шаг 01: Последовательная обработка

Шаг 02: Параллельное программирование с классом потока

Раздел 3: Лямбда-выражения

Шаг 01: Что такое Лямбда

Шаг 02: Лямбда-выражение (Часть 1)

Шаг 03: Лямбда-выражение (Часть 2)

Шаг 04: Запускаемый пример с Лямбда

Шаг 05: Пример компаратора С Lambda

Step-06: Пример вызова с Lambda

Раздел 4: Многопоточность Bas ics (Часть 2)

Step-01: Параллельное программирование с Runnable Interface

Step-02: Присоединяется

Step-02: Volatile

Step-04: DeadLock и LiveLock

Step-05: Синхронизация

Step- 06: Синхронизированные методы

Шаг 07: Синхронизированные блоки

Шаг 08: Ожидание, уведомление, NotifyAll

Шаг 09: Блокировки

Шаг 10 Семафор

Шаг 11: Исполнитель

Шаг 11: Исполнитель С Runnable и Callable

Step-13: Callable & Future

Section 5: Concurrent Utilities

Step-01: CountDownLatch

Step-02: Cyclic Barrier

Step-03: Blocking Queue

Step-04: Array Blocking Queue

Step-05: Delay Queue

Step-06: Linked Blocking Queue

Step-07: Priority Blocking Queue

Step-08: Synchronous Queue

Section 6: Concurrent Collections

Step-01: Differen ce b / w Традиционные и параллельные коллекции

Step-02: Concurrent HashMap

Step-03 Navigable Map

Раздел 7: Функциональные интерфейсы и лямбда-выражения (часть лямбда-выражений 2)

Step-01: Функциональные интерфейсы

Step-02 : Функциональный интерфейс потребителя (Часть 1)

Шаг-03: Функциональный интерфейс потребителя (Часть 2)

Шаг-04: IntConsumer, LongConsumer, DoubleConsumer

Шаг-04: Функциональный интерфейс BiConsumer

Шаг-05: Функциональный интерфейс BiConsumer (Часть 2)

Шаг 06: Функциональный интерфейс предиката (Часть 1)

Шаг 07: Функциональный интерфейс предиката (Часть 2)

Шаг 08: IntPredicate, LongPredicate, DoublePredicate

Шаг 09: Предикат и BiConsumer

Шаг 10: Функциональный интерфейс BiPredicate

Шаг 11: Функция (Часть 1)

Шаг 12: Функция (Часть 2)

Шаг 13: BiFunction

Шаг 14: Унарный оператор 90 005

Шаг 15: Бинарный оператор

Шаг 16: Поставщик

Шаг 17: Ссылка на метод (: 🙂

Шаг 18: Примеры ссылки на метод

Шаг 19: Преобразовать в ссылку на метод

Шаг -20: Ссылка на конструктор

Раздел 8: Область действия лямбда-переменной

Шаг-01: Область действия переменной, окончательный и фактически окончательный

Раздел 9: Пример многопоточности RealWorld с использованием Lambda

Шаг-01: Пример банковского перевода

Раздел 10: Stream

Step-01: Stream Introduction (Part 1)

Step-02: Stream Introduction (Part 2)

Step-03: Inside Streams

Step-04: Collections vs Streams

Step-05: Debugging Stream

Раздел 11: Потоковые операции

Шаг 01: map ()

Шаг 02: flatMap ()

Шаг 03: independent (), count (), sorted (), allMatch ()…

Шаг-04: Индивидуальная сортировка с использованием компаратора

Шаг-05: фильтр ()

Шаг-06: уменьшить () (Часть 1)

Шаг-07: уменьшить (Часть 2)

Шаг-08 : map + filter + reduce

Step-09: max () with stream и reduce

Step-10: min () with stream and reduce

Step-11: limit () and skip ()

Step-12 : findAny () и findFirst ()

Раздел 12: Генераторы потоков

Шаг 01: Генерация потока с помощью of (), iterate (), generate ()

Раздел 13: Числовые потоки

Шаг 01: Введение

Step-02: IntStream

Step-03: LongStream

Step-04: DoubleStream

Step-04: sum (), max (), min (), average ()

Step-05: Boxing, Unboxing

Шаг 06: mapToObj (), mapToLong, mapToDouble ()

Раздел 14: Операции сборщиков

Шаг 01: присоединение

Шаг 02: counting ()

Шаг 03: mappi ng ()

Step-04: minBy (), maxBy ()

Step-05: summingInt (), averagingInt ()

Step-06: groupingBy (Часть 1)

Step-07: groupingBy (Часть 2 )

Шаг 08: groupingBy (Часть 3)

Шаг 10: maxBy (), minBy (), collectingAndThen (), summarizingInt ()

Шаг 11: partitioningBy ()

Раздел 15: Параллельные потоки

Шаг 01: Введение в параллельные потоки

Шаг 02: Последовательная и параллельная производительность (часть 1)

Шаг-03: Последовательная и параллельная производительность (часть 2)

Раздел 16: Fork-Join

Step-01 : Введение в платформу Fork-Join

Шаг 02: Пример форк-соединения

Раздел 17: Ссылки

Раздел 18: Проблема с обеденным философом

Шаг 01: Решение проблемы с обеденным философом

Основы многопоточности — вопросы и ответы по Java

Этот раздел наших 1000+ MCQ посвящен основам многопоточности языка программирования Java.

1. Что такое многопоточное программирование?
a) Это процесс, в котором одновременно выполняются два разных процесса
b) Это процесс, в котором одновременно выполняются две или более частей одного и того же процесса
c) Это процесс, в котором множество разных процессов могут получить доступ к одной и той же информации
d) Это процесс, в котором один процесс может получить доступ к информации из многих источников.
Просмотр ответа

Ответ: b
Объяснение: Многопоточное программирование процесса, в котором две или более частей одного процесса выполняются одновременно.

2. Какие из этих типов многозадачности?
a) На основе процесса
b) На основе потока
c) На основе процесса и потока
d) Ни одного из упомянутых
Просмотр ответа

Ответ: c
Пояснение: Существует два типа многозадачности: многозадачность на основе процесса и многозадачность на основе потоков.

3. Приоритет потока в Яве есть?
a) Целое число
b) Float
c) double
d) long
Просмотр ответа

Ответ: a
Объяснение: Java назначает каждому потоку приоритет, который определяет, что этот поток должен обрабатываться по отношению к другим.Приоритет потока — это целые числа, указывающие относительный приоритет одного потока перед другим.

4. Что произойдет, если вызовут одновременную обработку двух потоков с одинаковым приоритетом?
a) Любой будет выполнен сначала лексографически
b) Оба они будут выполнены одновременно
c) Ни один из них не будет выполнен
d) Это зависит от операционной системы
Посмотреть ответ

Ответ: d
Объяснение: In В случаях, когда два или более потока с одинаковым приоритетом конкурируют за циклы ЦП, разные операционные системы обрабатывают эту ситуацию по-разному.Некоторые выполняют их в разрезе по времени, некоторые в зависимости от вызываемого потока.

5. Какое из этих утверждений неверно?
a) За счет многопоточности время простоя ЦП сводится к минимуму, и мы можем максимально использовать его
б) Благодаря многозадачности время простоя ЦП сводится к минимуму, и мы можем использовать его максимально
в) Два потока в Java могут иметь одинаковый приоритет
d) Поток может существовать только в двух состояниях: запущен и заблокирован.
Просмотреть ответ

Ответ: d
Объяснение: поток существует в нескольких состояниях, поток может быть запущен, приостановлен, заблокирован, завершен и готов к запуску.

6. Каким будет результат следующего кода Java?

1.  class multithreaded_programing 

2.  {

3.  public static void main (String args []) 

4.  {

5.  Thread t = Thread.currentThread (); 

6.  System.out.println (t); 

7. } 

8. } 

a) Тема [5, основная]
b) Тема [основная, 5]
c) Тема [основная, 0]
d) Тема [основная, 5, основная]
Посмотреть ответ

Ответ: d
Пояснение: Нет.
Выход:

 $ javac multithreaded_programing.java
$ java многопоточное_программирование
Тема [основная, 5, основная] 

7. Каков приоритет потока в следующей программе на Java?

1.  class multithreaded_programing 

2.  {

3.  public static void main (String args []) 

4.  {

5.  Thread t = Thread.currentThread (); 

6.  Система.out.println (t); 

7. } 

8. } 

a) 4
b) 5
c) 0
d) 1
Посмотреть ответ

Ответ: b
Объяснение: Результатом программы является Thread [main, 5, main], при этом приоритет, назначенный потоку, равен 5. Это значение по умолчанию. Поскольку мы не назвали поток, он назван группой, к которой принадлежит основной метод.
Выход:

 $ javac multithreaded_programing.java
$ java многопоточное_программирование
Тема [основная, 5, основная] 

8.Как называется поток в следующей программе на Java?

1.  class multithreaded_programing 

2.  {

3.  public static void main (String args []) 

4.  {

5.  Thread t = Thread.currentThread (); 

6.  System.out.println (t); 

7. } 

8. } 

a) основной
b) поток
c) система
d) ни один из упомянутых
Посмотреть ответ

Ответ: a
Объяснение: Результатом программы является Thread [main, 5, main], поскольку мы не указали явно поток, которому они присвоены группой, к которой они принадлежат, i: e main метод.Поэтому они названы «основными».
Выход:

 $ javac multithreaded_programing.java
$ java многопоточное_программирование
Тема [основная, 5, основная] 

Sanfoundry Global Education & Learning Series — Язык программирования Java.

Примите участие в конкурсе сертификации Sanfoundry, чтобы получить бесплатную Почетную грамоту. Присоединяйтесь к нашим социальным сетям ниже и будьте в курсе последних конкурсов, видео, стажировок и вакансий!

Углубленное руководство по многопоточности

Java | Пример в реальном времени

В предыдущем руководстве мы изучили базовую концепцию потока в Java.Теперь мы подробно изучим многопоточность в Java на примерах в реальном времени.

Мы знаем, что Java — это многопоточный язык программирования, что означает, что мы можем разрабатывать многопоточные программы с использованием Java.

Многопоточный подход к программированию — одна из самых мощных функций Java. Это делает нашу программу более отзывчивой и интерактивной, а также повышает производительность.

Чтобы понять концепцию многопоточности, нужно понять значение многопоточности.

Что такое многопоточность в Java

---

Многопоточность означает одновременное выполнение нескольких потоков.Процесс выполнения нескольких потоков одновременно (одновременно) называется многопоточностью в Java .

Другими словами, многопоточность — это метод или концепция программирования, в которой программа (процесс) делится на две или более подпрограмм (подпроцессов), каждая из которых может выполнять разные задачи одновременно (одновременно и параллельно). Каждая подпрограмма программы называется потоком в Java.

Посмотрите на рисунок ниже, где программа Java имеет три потока, один основной и два других.Два других потока ThreadA и ThreadB создаются и запускаются из основного потока. Когда программа содержит несколько потоков управления, она называется многопоточной программой.

После инициирования основным потоком потоки ThreadA и ThreadB выполняются одновременно и совместно используют ресурсы. Это то же самое, что люди, живущие в совместной семье и разделяющие между всеми определенные ресурсы.

Когда программа содержит более одного потока, ЦП может переключаться между двумя потоками для их одновременного выполнения.Переключение между двумя потоками известно как переключение контекста .

Переключение с одного потока на другой происходит так быстро, что пользователям кажется, что все потоки выполняются одновременно. Но на самом деле одновременно выполняется только один поток.

Этот метод полезен для тех приложений, которые требуют одновременного выполнения нескольких задач. В однопроцессорной системе несколько потоков совместно используют время ЦП, известное как с разделением времени .

Операционная система отвечает за распределение и планирование ресурсов для них. Таким образом, многопоточность улучшает производительность ЦП за счет максимального использования и минимизации времени простоя ЦП.

В многопоточной программе каждому потоку назначается отдельная задача, и она выполняется независимо. Если в одном потоке возникает исключение, оно не влияет на другие потоки во время выполнения.

Например, один поток читает данные, другой поток обрабатывает их, а третий поток записывает их, что улучшает общую производительность приложения.

Мы можем написать многопоточную программу для отображения анимации, воспроизведения музыки и одновременной загрузки файла из сети.

Преимущество многопоточности в Java

---

Преимущества использования концепции многопоточного программирования следующие:

1. В многопоточной прикладной программе разные части приложения выполняются разными потоками. Все приложение не останавливается, даже если в каком-либо из потоков возникает исключение.Это не влияет на другие потоки во время выполнения приложения.

2. Разные потоки назначаются разным процессорам, и каждый поток выполняется на разных процессорах параллельно.

3. Многопоточность помогает сократить время вычислений.
4. Многопоточность улучшает производительность приложения.
5. Потоки используют одно и то же адресное пространство памяти. Следовательно, это экономит память.
6. Многопоточная программа обеспечивает максимальное использование ЦП и минимизирует время простоя ЦП.
7. Переключение контекста с одного потока на другой обходится дешевле, чем между процессами.

Недостатки многопоточности в Java

---

Недостатки многопоточности следующие:
1. Повышенная сложность.
2. Синхронизация общих ресурсов.
3. В концепции многопоточного программирования отладка затруднена. Иногда результат непредсказуем.
4. Возможные тупиковые ситуации.
5. Могут возникнуть сложности при программировании.

Многозадачность в Java

---

Процесс одновременного или одновременного выполнения одной или нескольких задач называется многозадачностью .Это способность операционной системы выполнять несколько задач одновременно. Основная цель многозадачности — использовать время простоя процессора.

Многозадачность может быть реализована двумя способами:
1. Многозадачность на основе процессов (Multiprocessing)
2. Многозадачность на основе потоков (Многопоточность)

Многозадачность на основе процессов (многопроцессорность)

---

Процесс выполнения нескольких программ или процессов одновременно (одновременно) называется многозадачностью на основе процессов или многозадачностью на основе программ.При многозадачности, основанной на процессах, микропроцессор одновременно выполняет несколько программ.

Следовательно, в Java это также называется многопроцессорностью. Это тяжеловес. Функция многозадачности на основе процессов позволяет одновременно выполнять две или более программы на компьютере.

Хорошим примером является запуск программы для работы с электронными таблицами и одновременная работа с текстовым процессором.

Каждая программа (процесс) имеет собственное адресное пространство в памяти. Другими словами, каждая программа размещается в отдельной области памяти.

Операционной системе требуется некоторое время ЦП для переключения с одной программы на другую. Переключение ЦП между программами называется переключением контекста.

Переключение с одной программы на другую происходит так быстро, что пользователю кажется, что несколько задач выполняются одновременно.

Многозадачность на основе потоков (многопоточность)

---

Поток — это отдельный путь выполнения кода для каждой задачи в программе. В многозадачности на основе потоков программа использует несколько потоков для одновременного выполнения одной или нескольких задач процессором.

То есть функция многозадачности на основе потоков позволяет одновременно выполнять несколько частей одной и той же программы. У каждого потока свой путь выполнения.

Пример многопоточности в Java в реальном времени

---

Давайте рассмотрим различные примеры многопоточности на основе потоков в Java.

1. Очень хорошим примером многопоточности на основе потоков является программа обработки текста, которая проверяет написание слов в документе во время написания документа. Это возможно только в том случае, если каждое действие выполняется отдельным потоком.

2. Другим знакомым примером является браузер, который начинает отображать веб-страницу, в то время как остальная часть страницы все еще загружается.

Рассмотрим программу, показанную на рисунке ниже. Программа разделена на две части. Эти части могут представлять два отдельных блока кода или два отдельных метода, которые могут выполнять две разные задачи одной и той же программы.

Следовательно, процессор создаст два отдельных потока для одновременного выполнения этих двух частей. Каждый поток действует как отдельный процесс, который выполняет отдельный блок кода.

Таким образом, у процессора есть два потока, которые будут выполнять две разные задачи одновременно. Эта многозадачность называется многозадачностью на основе потоков.

Преимущество многозадачности на основе потоков над многозадачностью процессов

---

Основные преимущества многозадачности на основе потоков по сравнению с задачами на основе процессов:

1. Потоки используют одно и то же адресное пространство памяти.
2. Переключение контекста с одного потока на другой обходится дешевле, чем между процессами.
3. Стоимость связи между потоками относительно невысока.

4. Потоки более легкие по сравнению с процессами (тяжелые). Они используют минимум ресурсов системы. Они занимают меньше памяти и меньше процессорного времени.

Java поддерживает многозадачность на основе потоков и предоставляет высококачественные средства для многопоточного программирования.

Отличный способ запомнить разницу между многозадачностью на основе процессов и многозадачностью на основе потоков состоит в том, что многозадачность на основе процессов работает с несколькими программами или процессами, тогда как многозадачность на основе потоков работает с частями одной программы.

В многозадачности, основанной на процессах, программа является наименьшей единицей исполняемого кода, тогда как в многозадачности на основе потоков поток является наименьшей единицей исполняемого кода.
Спасибо за чтение !!!
Далее ⇒ Класс потока в Java ⇐ ПредСледующий ⇒

Пещера программирования

Многопоточность Java: Swing и SwingWorker (видеоурок, часть 15)

Если вы занимаетесь программированием Swing (GUI) на Java, вы можете рассмотреть возможность использования класса SwingWorker для ваших потребностей в многопоточности.SwingWorker — это свирепый, но полезный класс, который совершенен ….

Многопоточность Java: прерывание потоков (видеоурок, часть 14)

Что это за надоедливые исключения InterruptedException? В этом видео я покажу вам, как прерывать запущенные потоки в Java с помощью встроенного механизма прерывания потоков. После запуска видео нажмите ….

Многопоточность Java: вызываемые и будущее (видеоурок, часть 13)

Как использовать Callable и Future в Java, чтобы получать результаты от ваших потоков и позволять вашим потокам генерировать исключения.Кроме того, Future позволяет вам контролировать свои потоки, проверяя, не ….

Многопоточность Java: семафоры (видеоурок, часть 12)

Учебник по семафорам в Java. Семафоры в основном используются для ограничения количества одновременных потоков, которые могут получить доступ к ресурсам, но вы также можете использовать их для реализации систем восстановления тупиковых ситуаций ….

Многопоточность Java: тупик (видеоурок, часть 11)

Причины тупика и две вещи, которые вы можете с этим сделать.В этом видео также рассказывается, как написать метод, который может безопасно получить любое количество блокировок в любом порядке, не вызывая взаимоблокировки, с помощью команды try ….

Многопоточность Java: блокировки с повторным входом (видеоурок, часть 10)

Как использовать класс ReentrantLock в Java в качестве альтернативы синхронизированным блокам кода. ReentrantLocks позволяет вам делать все, что вы можете делать с помощью synchronized, wait и notify, а также еще кое-что ….

Многопоточность Java: низкоуровневый производитель-потребитель (видеоурок, часть 9)

В этом руководстве мы рассмотрим, как реализовать шаблон производитель-потребитель с использованием низкоуровневых методов; а именно ждать, уведомлять и синхронизировать.Это не лучший способ реализовать продюсер-c ….

Многопоточность Java: ожидание и уведомление (видеоурок, часть 8)

Учебник по ожиданию и уведомлению в Java; низкоуровневые многопоточные методы класса Object, которые позволяют вам иметь один или несколько потоков в спящем режиме, только чтобы быть разбуженными другими потоками в нужный момент ….

Многопоточность Java: производитель-потребитель (видеоурок, часть 7)

Учебное пособие о том, как реализовать шаблон производитель-потребитель в Java с помощью класса Java ArrayBlockingQueue.Производитель-Потребитель — это ситуация, когда один или несколько потоков создают элементы данных и ….

Многопоточность Java: защелки обратного отсчета (видеоурок, часть 6)

Видеоруководство по использованию отличного класса Java CountDownLatch для синхронизации действий ваших потоков. После запуска видео нажмите кнопку развертывания, чтобы развернуть его в полноэкранном режиме, чтобы вы могли видеть .. ..

Многопоточность Java: пулы потоков (видеоурок, часть 5)

Руководство по управлению несколькими потоками в Java с использованием пулов потоков.С помощью пулов потоков вы можете назначить целую группу потоков для работы с вашей очередью задач. После запуска видео нажмите ….

Многопоточность Java: блокировка объектов (видеоурок, часть 4)

Это четвертая часть нашего расширенного руководства по многопоточности Java. В этом уроке я покажу вам, как можно использовать несколько блокировок для ускорения сложного многопоточного кода, иногда значительно.

Многопоточность Java: синхронизированная (видеоурок, часть 3)

Это третья часть нашего расширенного руководства по многопоточности Java.В этом руководстве мы рассмотрим использование ключевого слова synchronized для координации действий между потоками и предотвращения их ошибок в ea ….

Многопоточность Java: изменчивость — базовая связь между потоками (видеоурок, часть 2)

Вторая часть расширенного руководства по многопоточности Java. В этом руководстве мы рассмотрим использование ключевого слова volatile для связи между потоками с помощью флагов. Мы также смотрим, почему потенциальные нас ….

Многопоточность Java: запуск потоков (видеоурок, часть 1)

Многопоточность кажется вам черным искусством? Это первая часть расширенного руководства Java по многопоточности, которое, надеюсь, поможет вам.В этом уроке мы рассмотрим два способа …

Java Многопоточность | Код Тыква

Многопоточность — это метод, который позволяет программе или процессу выполнять множество задач одновременно (одновременно и параллельно). Это позволяет процессу выполнять свои задачи в параллельном режиме даже в однопроцессорной системе.

Java Многопоточность

В Java есть встроенная поддержка параллелизма.В Java виртуальная машина Java (JVM) позволяет приложению иметь несколько потоков выполнения, выполняемых одновременно. Это позволяет программе быть более ответственной перед пользователем. Когда программа содержит несколько потоков, ЦП может переключаться между двумя потоками для их одновременного выполнения. Эта встроенная поддержка параллелизма является одной из самых сильных сторон java и помогла ей завоевать популярность.

Если вы пойдете на какое-либо собеседование с ядром Java, вы обязательно столкнетесь с вопросами из-за многопоточности.Большинство прибыльных должностей Java-разработчиков требуют отличных знаний в области многопоточности и опыта в разработке, отладке и настройке высокопроизводительных параллельных Java-приложений с низкой задержкой. Ниже приведены статьи, посвященные важным темам, и вопросы интервью, связанные с многопоточностью в JAVA.