Параллельные потоки java. Что такое многопоточность

Прежде чем приступить к разговору о многопоточности, следует уточнить некоторые термины.

Обычно в любой многопоточной операционной системе выделяют такие объекты, как процессы и потоки. Между ними существует большая разница, которую следует четко себе представлять.

Процесс

Процесс (process) - это объект, который создается операционной системой, когда пользователь запускает приложение. Процессу выделяется отдельное адресное пространство, причем это пространство физически недоступно для других процессов. Процесс может работать с файлами или с каналами связи локальной или глобальной сети. Когда вы запускаете текстовый процессор или программу калькулятора, вы создаете новый процесс.

Поток

Для каждого процесса операционная система создает один главный поток (thread), который является потоком выполняющихся по очереди команд центрального процессора. При необходимости главный поток может создавать другие потоки, пользуясь для этого программным интерфейсом операционной системы.

Все потоки, созданные процессом, выполняются в адресном пространстве этого процесса и имеют доступ к ресурсам процесса. Однако поток одного процесса не имеет никакого доступа к ресурсам потока другого процесса, так как они работают в разных адресных пространствах. При необходимости организации взаимодействия между процессами или потоками, принадлежащими разным процессам, следует пользоваться системными средствами, специально предназначенными для этого.

Приоритеты потоков в приложениях Java

Если процесс создал несколько потоков, то все они выполняются параллельно, причем время центрального процессора (или нескольких центральных процессоров в мультипроцессорных системах) распределяется между этими потоками.

Распределением времени центрального процессора занимается специальный модуль операционной системы - планировщик. Планировщик по очереди передает управление отдельным потокам, так что даже в однопроцессорной системе создается полная иллюзия параллельной работы запущенных потоков.

Распределение времени выполняется по прерываниям системного таймера. Поэтому каждому потоку дается определенный интервал времени, в течении которого он находится в активном состоянии.

Заметим, что распределение времени выполняется для потоков, а не для процессов. Потоки, созданные разными процессами, конкурируют между собой за получение процессорного времени.

Каким именно образом?

Приложения Java могут указывать три значения для приоритетов потоков. Это NORM_PRIORITY, MAX_PRIORITY и MIN_PRIORITY.

По умолчанию вновь созданный поток имеет нормальный приоритет NORM_PRIORITY. Если остальные потоки в системе имеют тот же самый приоритет, то все потоки пользуются процессорным времени на равных правах.

При необходимости вы можете повысить или понизить приоритет отдельных потоков, определив для них значение приоритета, соответственно, MAX_PRIORITY или MIN_PRIORITY. Потоки с повышенным приоритетом выполняются в первую очередь, а с пониженным - только при отсутствии готовых к выполнению потоков, имеющих нормальный или повышенный приоритет.

Прежде, чем узнать про потоки Java, давайте заглянем в недалёкое будущее. Представьте, что вы подали резюме и прошли собеседование. Вас и пару дюжин будущих коллег пригласили на работу в большую Software-компанию. Среди прочих хлопот нужно подать бумажные документы для трудоустройства уставшему сотруднику HR-отдела.

Чтобы ускорить процесс, претендентов на должность можно разделить на две группы и распределить их между двумя HR-менеджерами (если таковые есть в компании). В результате мы получаем ускорение процесса за счёт параллельной (parallel ) работы по оформлению.

Если же кадровик в компании один, то придётся как-то выкручиваться. Например, можно снова- таки разбить всех на две группы, например, собеседовать поочерёдно девушек и юношей.

Или по другому принципу: так как в нижней группе больше народа, будем чередовать на одного юношу двух девушек.

Такой способ организации работы называется многопоточным . Наш утомлённый кадровик переключается на разные группы для оформления из них очередного сотрудника. Групп, может быть, одиннадцать, а кадровиков – четыре. В этом случае многопоточная (multithreading ) обработка будет происходить параллельно несколькими HR-ами, которые могут брать очередного человека из любой группы для обработки его документов.

Процессы

Процессом (process ) в данном случае будет организация работы приёма документов. В организации можно выделить несколько процессов: бухгалтерский учёт, разработка ПО, встречи с клиентами, работа склада и т. д. На каждый процесс выделены ресурсы: помещение, сотрудники для его исполнения. Процессы изолированы друг от друга: у кадровиков отсутствует доступ в бухгалтерскую базу, а менеджеры по работе с клиентами не бегают по складу. Если процесс должен получить доступ к чужим ресурсам, необходимо наладить межпроцессное взаимодействие: служебные записки, совместные совещания.

Потоки

Работа в процессе организована в виде потоков (java thread). Для отдела кадров, поток – это организация работы по обслуживанию группы. На самой первой картинке – один поток, последующих трёх – два. Внутри процесса потоки могут выполняться параллельно – два кадровика принимают две или более группы будущих сотрудников. Взаимодействие кадровиков с группами – обработку потоков внутри процесса – называют синхронизацией потоков . На рисунках оформления одним кадровиком двух групп видны показаны способы: равномерный (девушка – юноша – девушка – юноша) и с разными приоритетами (две девушки чередуются с одним юношей). Потоки имеют доступ к ресурсам процесса, к которому они относятся: группам к кадровику даны образцы бланков заявлений, ручки для заполнения документов. Но если потоки взаимодействуют с общими для них вещами – то возможны казусы. Если кадровик попросит крикнуть имя последнего человека в очереди – то, в случае с двумя группами, он не уверен заранее, что услышит женское имя или мужское. Подобные конфликты доступа к данным, блокировки и способы их разрешения – очень важная тема.

Состояния потока

Каждый поток пребывает в одном из следующих состояний (state):

• Создан (New) – очередь к кадровику готовится, люди организуются.
• Запущен (Runnable) – наша очередь выстроилась к кадровику и обрабатывается.
• Заблокирован (Blocked) – последний в очереди юноша пытается выкрикнуть имя, но услышав, что девушка в соседней группе начала делать это раньше него, замолчал.
• Завершён (Terminated) - вся очередь оформилась у кадровика и в ней нет необходимости.
• Ожидает(Waiting) – одна очередь ждёт сигнала от другой.

Организация потоков и их взаимодействие – это основа эффективной работы процессов.

Вернемся в IT-мир

В XXI веке многопоточное и параллельное выполнение стало актуальным. С 90-х годов прошлого века многозадачные операционные системы Windows, MacOS и Linux прочно обосновались на домашних компьютерах. В них часто можно встретить четырёх- и более ядерные процессоры. Число параллельных блоков GPU-видеокарт уже перевалило за тысячу. Популярные программы пишутся с учетом многопоточности (multithreading), например, современные версии ПО обработки графики, видео или оперирующих большим объемом данных: Adobe Photoshop, WinRar, Mathematica, современные игры. Многопоточность Java – очень важная, востребованная и сложная тема. Поэтому в курсе JavaRush встречается много задач, чтобы разобраться с ней очень хорошо. Java-примеры на многопоточность помогут освоить основные нюансы и тонкости этой области, синхронизации работы потоков.

Процесс

Process (процесс) – выполняющийся экземпляр программы, которому Операционная Система (ОС) выделила память, процессорное время/ядра и прочие ресурсы. Важно, что память выделяется отдельно, адресные пространства различных процессов недоступны друг другу. Если процессам необходимо обмениваться данными, они могут это сделать с помощью файлов, каналов и иных способов межпроцессного взаимодействия.

Поток

Java Thread (поток). Иногда, чтобы не путать с другими классами Java – Stream и подобными, потоки Java часто переводят как нить. Они используют выделенные для процесса ресурсы и являются способом выполнения процесса. Главный поток выполняет метод main и завершается. При выполнении процесса могут порождаться дополнительные потоки (дочерние). Потоки одного процесса могут между собой обмениваться данными. Многопоточность Java требует учитывать синхронизацию данных, не забывайте об этом. В Java процесс завершается тогда, когда закончил работу последний его поток. Для фоновых задач поток можно запустить как демон (daemon), отличие которого от обычного в том, что они будут принудительно завершены при окончании работы всех не- daemon потоков процесса.

Первое многопоточное приложение

Существует более полудюжины способов создания потоков, в рамках JavaRush курса мы их подробно разберём. Для начала познакомимся с одним из базовых. Имеется специальный класс Thread в методе run() которого необходимо написать код, реализующий логику программы. После создания потока, можно запустить его, вызвав метод start() . Напишем демонстрационную программу, реализующую пример многопоточности Java. class PeopleQueue extends Thread { // Наша очередь из сотрудников, наследник класса Thread private String names; PeopleQueue (String. . . names) { // Конструктор, аргумент- массив имен сотрудников this . names = names; } @Override public void run () { // Этот метод будет вызван при старте потока for (int i = 0 ; i < names. length; i++ ) { // Вывод в цикле с паузой 0.5 сек очередного сотрудника System. out. println ("Обработаны документы: " + names[ i] ) ; try { sleep (500 ) ; // Задержка в 0.5 сек } catch (Exception e) { } } } } public class HR { // Класс для демонстрации работы потока public static void main (String args) { // Создаем две очереди PeopleQueue queue1 = new PeopleQueue ("Иван" , "Сергей" , "Николай" , "Фердинанд" , "Василий" ) ; PeopleQueue queue2 = new PeopleQueue ("Мария" , "Людмила" , "Алиса" , "Карина" , "Ольга" ) ; System. out. println ("Начали!" ) ; // Сообщение из главного потока программы queue1. start () ; //Запускаем одну очередь (дочерний поток) queue2. start () ; //Запускаем вторую (дочерний поток) } } Запустим программу. В консоли виден вывод сообщения главным потоком. Далее, каждый дочерний поток queue1 и queue2 поочередно выводят сообщения в общую для них консоль об очередном обработанном сотруднике. Один из возможных вариантов работы программы: Начали! Обработаны документы: Мария Обработаны документы: Иван Обработаны документы: Людмила Обработаны документы: Сергей Обработаны документы: Алиса Обработаны документы: Николай Обработаны документы: Карина Обработаны документы: Фердинанд Обработаны документы: Ольга Обработаны документы: Василий Process finished with exit code 0 Многопоточность в Java – тема трудная и многосторонняя. Умение писать код с использованием параллельных, многозадачных и многопоточных вычислений поможет вам эффективно реализовать задачи на современных многоядерных процессорах и кластерах, состоящих из множества компьютеров. 03.10.17 8.3K

В этом руководстве мы рассмотрим, как выполняется многопоточность Java , более подробно узнаем о потоках и синхронизации между ними.

Пример одного потока :

package demotest; public class GuruThread1 implements Runnable { /** * @param args */ public static void main(String args) { Thread guruThread1 = new Thread("Guru1"); Thread guruThread2 = new Thread("Guru2"); guruThread1.start(); guruThread2.start(); System.out.println("Thread names are following:"); System.out.println(guruThread1.getName()); System.out.println(guruThread2.getName()); } @Override public void run() { } }

Преимущества одного потока :

• При выполнении одного потока снижается нагрузка на приложение;
• Уменьшается стоимость обслуживания приложения.

Что такое многопоточность?

Многопоточность в Java - это выполнение двух или более потоков одновременно для максимального использования центрального процесса.

Многопоточные приложения - это приложения, где параллельно выполняются два или более потоков. Данное понятие известно в Java как многопотоковое выполнение. При этом несколько процессов используют общие ресурсы, такие как центральный процессор, память и т. д.

Все потоки выполняются параллельно друг другу. Для каждого отдельного потока не выделяется память, что приводит к ее экономии. Кроме этого переключение между потоками занимает меньше времени.

Пример многопоточности :

package demotest; public class GuruMultithread implements Runnable{ /** * @param args */ public static void main(String args) { Thread guruthread1 = new Thread(); guruThread1.start(); Thread guruthread2 = new Thread(); guruThread2.start(); } @Override public void run() { // TODO Автоматически сгенерированный метод stub } }

Преимущества многопоточности :

• В задачах на многопоточность Java потоки выполняются независимо друг от друга, поэтому отсутствует блокирование пользователей, и можно выполнять несколько операций одновременно;
• Одни потоки не влияют на другие, когда они наталкиваются на исключения.

Жизненный цикл потока в Java

Жизненный цикл потока :

Стадии жизни потока :

1. Новый;
2. Готовый к выполнению;
3. Выполняемый;
4. Ожидающий;
5. Остановленный.

1. Новый : в этой фазе поток создается с помощью класса Thread . Он остается в этом состоянии, пока программа его не запустит;
2. Готовый к выполнению : экземпляр потока вызывается с помощью метода Start . Управление потоком предоставляется планировщику для завершения выполнения. От планировщика зависит то, следует ли запускать поток;
3. Выполняемый : с началом выполнения потока его состояние изменяется на «выполняемый ». Планировщик выбирает один поток из пула потоков и начинает его выполнение в приложении;
4. Ожидающий : поток ожидает своего выполнения. Поскольку в приложении выполняется сразу несколько потоков, необходимо синхронизировать их. Следовательно, один поток должен ожидать, пока другой поток не будет выполнен. Таким образом, это состояние называется состоянием ожидания;
5. Остановленный : выполняемый поток после завершения процесса переходит в состояние «остановленный », известное также как «мертвый ».

Часто используемые методы для управления многопоточностью Java :

Например : В этом примере создается поток, и применяются перечисленные выше методы.

package demotest; public class thread_example1 implements Runnable { @Override public void run() { } public static void main(String args) { Thread guruthread1 = new Thread(); guruThread1.start(); try { guruthread1.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { // TODO Автоматически сгенерированный блок catch e.printStackTrace(); } guruthread1.setPriority(1); int gurupriority = guruthread1.getPriority(); System.out.println(gurupriority); System.out.println("Thread Running"); } }

Объяснение кода

Строка кода 2 : создаем класс «thread_Example1 Runnable » (готовый к выполнению ). Он должен быть реализован любым классом, экземпляры которого предназначены для выполнения потоком.
Строка 4 : переопределяется метод run для готового к запуску интерфейса, так как он является обязательным при переопределении этого метода.
Строка кода 6 : определяется основной метод, в котором начнется выполнение потока.
Строка кода 7 : создается новое имя потока «guruthread1 «, инициализируя новый класс потока.
Код строка 8 : используется метод «Start » в экземпляре «guruthread1 «. Здесь поток начнет выполняться.
Строка 10 : используется метод «sleep » в экземпляре «guruthread1 «. Поток приостановит свое выполнение на 1000 миллисекунд.
Строки 9-14 : применяется метод «sleep » в блоке «try catch », так как есть проверяемое исключение «Interrupted exception ».
Строка кода 15 : для потока назначается приоритет «1 », независимо от того, каким приоритет был до этого.
Строка кода 16 : получаем приоритет потока с помощью getPriority() .
Строка кода 17 : значение, извлеченное из getPriority .
Строка кода 18 : пишем текст, что поток выполняется.

Вывод

5 - это приоритет потока, а «Thread Running » - текст, который является выводом нашего кода.

Синхронизация потоков Java

В многопоточности Java присутствует асинхронное поведение. Если один поток записывает некоторые данные, а другой в это время их считывает, в приложении может возникнуть ошибка. Поэтому при необходимости доступа к общим ресурсам двум и более потоками используется синхронизация.

В Java есть свои методы для обеспечения синхронизации. Как только поток достигает синхронизированного блока, другой поток не может вызвать этот метод для того же объекта. Все другие потоки должны ожидать, пока текущий не выйдет из синхронизированного блока.

Таким образом, решается проблема в многопоточных приложениях. Один поток ожидает, пока другой не закончит свое выполнение, и только тогда другим потокам будет разрешено их выполнение.

Это можно написать следующим образом:

Synchronized(object) { //Блок команд для синхронизации }

Пример многопоточности Java

В этом Java многопоточности примере мы задействуем два потока и извлекаем имена потоков.

Пример 1

GuruThread1.java package demotest; public class GuruThread1 implements Runnable{ /** * @param args */ public static void main(String args) { Thread guruThread1 = new Thread("Guru1"); Thread guruThread2 = new Thread("Guru2"); guruThread1.start(); guruThread2.start(); System.out.println("Thread names are following:"); System.out.println(guruThread1.getName()); System.out.println(guruThread2.getName()); } @Override public void run() { } }

Объяснение кода

Строка кода 3 : задействуем класс «GuruThread1 «, который реализует интерфейс «Runnable » (он должен быть реализован любым классом, экземпляры которого предназначены для выполнения потоком ).
Строка 8 : основной метод класса.
Строка 9 : создаем класс Thread , экземпляр с именем «guruThread1 » и поток.
Строка 10 : создаем класс Thread , экземпляр с именем «guruThread2 » и поток.
Строка 11 : запускаем поток guruThread1 .
Строка 12 : запускаем поток guruThread2 .
Строка 13 : выводим текст «Thread names are following: «.
Строка 14 : получаем имя потока 1, используя метод getName() класса thread .
Строка кода 15 : получаем имя потока 2, используя метод getName() класса thread .

Вывод

Имена потоков выводятся как:

• Guru1
• Guru2

Пример 2

Из этого Java многопоточности урока мы узнаем о переопределяющих методах Run () и методе Start () интерфейса runnable . Создадим два потока этого класса и выполним их.

Также мы задействуем два класса:

• Один будет реализовывать интерфейс runnable ;
• Другой — с методом main и будет выполняться.

package demotest; public class GuruThread2 { public static void main(String args) { // TODO Автоматически сгенерированный метод stub GuruThread3 threadguru1 = new GuruThread3("guru1"); threadguru1.start(); GuruThread3 threadguru2 = new GuruThread3("guru2"); threadguru2.start(); } } class GuruThread3 implements Runnable { Thread guruthread; private String guruname; GuruThread3(String name) { guruname = name; } @Override public void run() { System.out.println("Thread running" + guruname); for (int i = 0; i < 4; i++) { System.out.println(i); System.out.println(guruname); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { System.out.println("Thread has been interrupted"); } } } public void start() { System.out.println("Thread started"); if (guruthread == null) { guruthread = new Thread(this, guruname); guruthread.start(); } } }

Объяснение кода

Строка кода 2 : принимаем класс «GuruThread2 «, содержащий метод main .
Строка 4 : принимаем основной метод класса.
Строки 6-7 : создаем экземпляр класса GuruThread3 (создается в строках внизу ) как «threadguru1 » и запускаем поток.
Строки 8-9 : создаем еще один экземпляр класса GuruThread3 (создается в строках внизу ) как «threadguru2 » и запускаем поток.
Строка 11 : для многопоточности Java создаем класс «GuruThread3 «, который реализует интерфейс «Runnable ». Он должен быть реализован любым классом, экземпляры которого предназначены для выполнения потоком.
Строки 13-14 : принимаем две переменные класса, из которых одна - потоковый класс, другая - строковый класс.
Строки 15-18 : переопределение конструктора GuruThread3 , который принимает один аргумент как тип String (являющийся именем потока ). Имя будет присвоено переменной класса guruname и сохраняется имя потока.
Строка 20 : переопределяется метод run() интерфейса runnable .
Строка 21 : выводится имя потока с использованием набора команд println .
Строки 22-31 : используется цикл «for » со счетчиком, инициализированным на «0 », который не должен быть меньше 4 . Выводится имя потока, а также выполняется приостановка потока на 1000 миллисекунд в блоке try-catch , поскольку метод sleep вызвал проверяемое исключение.
Строка 33 : переопределяется метод start интерфейса runnable .
Строка 35 : выводится текст «Thread started «.
Строки 36-40 : проверяем, содержит ли переменная класса guruthread значение. Если оно равно NULL , создается экземпляр класса thread . После этого запускается поток с использованием класса start() .

Многопоточное программирование позволяет разделить представление и обработку информации на несколько «легковесных» процессов (light-weight processes), имеющих общий доступ как к методам различных объектов приложения, так и к их полям. Многопоточность незаменима в тех случаях, когда графический интерфейс должен реагировать на действия пользователя при выполнении определенной обработки информации. Потоки могут взаимодействовать друг с другом через основной «родительский» поток, из которого они стартованы.

В качестве примера можно привести некоторый поток, отвечающий за представление информации в интерфейсе, который ожидает завершения работы другого потока, загружающего файл, и одновременно отображает некоторую анимацию или обновляет прогресс-бар. Кроме того этот поток может остановить загружающий файл поток при нажатии кнопки «Отмена».

Создатели Java предоставили две возможности создания потоков: реализация (implementing) интерфейса Runnable и расширение(extending) класса Thread . Расширение класса - это путь наследования методов и переменных класса родителя. В этом случае можно наследоваться только от одного родительского класса Thread . Данное ограничение внутри Java можно преодолеть реализацией интерфейса Runnable , который является наиболее распространённым способом создания потоков.

Преимущества потоков перед процессами

• потоки намного легче процессов поскольку требуют меньше времени и ресурсов;
• переключение контекста между потоками намного быстрее, чем между процессами;
• намного проще добиться взаимодействия между потоками, чем между процессами.

Главный поток

Каждое java приложение имеет хотя бы один выполняющийся поток. Поток, с которого начинается выполнение программы, называется главным. После создания процесса, как правило, JVM начинает выполнение главного потока с метода main(). Затем, по мере необходимости, могут быть запущены дополнительные потоки. Многопоточность - это два и более потоков, выполняющихся одновременно в одной программе. Компьютер с одноядерным процессором может выполнять только один поток, разделяя процессорное время между различными процессами и потоками.

Класс Thread

В классе Thread определены семь перегруженных конструкторов, большое количество методов, предназначенных для работы с потоками, и три константы (приоритеты выполнения потока).

Конструкторы класса Thread

Thread(); Thread(Runnable target); Thread(Runnable target, String name); Thread(String name); Thread(ThreadGroup group, Runnable target); Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name); Thread(ThreadGroup group, String name);

• target – экземпляр класса реализующего интерфейс Runnable;
• name – имя создаваемого потока;
• group – группа к которой относится поток.

Пример создания потока, который входит в группу, реализует интерфейс Runnable и имеет свое уникальное название:

Runnable r = new MyClassRunnable(); ThreadGroup tg = new ThreadGroup(); Thread t = new Thread(tg, r, "myThread");

Группы потоков удобно использовать, когда необходимо одинаково управлять несколькими потоками. Например, несколько потоков выводят данные на печать и необходимо прервать печать всех документов поставленных в очередь. В этом случае удобно применить команду ко всем потокам одновременно, а не к каждому потоку отдельно. Но это можно сделать, если потоки отнесены к одной группе.

Несмотря на то, что главный поток создаётся автоматически, им можно управлять. Для этого необходимо создать объект класса Thread вызовом метода currentThread() .

Методы класса Thread

Наиболее часто используемые методы класса Thread для управления потоками:

• long getId() - получение идентификатора потока;
• String getName() - получение имени потока;
• int getPriority() - получение приоритета потока;
• State getState() - определение состояния потока;
• void interrupt() - прерывание выполнения потока;
• boolean isAlive() - проверка, выполняется ли поток;
• boolean isDaemon() - проверка, является ли поток «daemon»;
• void join() - ожидание завершения потока;
• void join(millis) - ожидание millis милисекунд завершения потока;
• void notify() - «пробуждение» отдельного потока, ожидающего «сигнала»;
• void notifyAll() - «пробуждение» всех потоков, ожидающих «сигнала»;
• void run() - запуск потока, если поток был создан с использованием интерфейса Runnable;
• void setDaemon(bool) - определение «daemon» потока;
• void setPriority(int) - определение приоритета потока;
• void sleep(int) - приостановка потока на заданное время;
• void start() - запуск потока.
• void wait() - приостановка потока, пока другой поток не вызовет метод notify();
• void wait(millis) - приостановка потока на millis милисекунд или пока другой поток не вызовет метод notify();

Жизненный цикл потока

При выполнении программы объект Thread может находиться в одном из четырех основных состояний: «новый», «работоспособный», «неработоспособный» и «пассивный». При создании потока он получает состояние «новый» (NEW) и не выполняется. Для перевода потока из состояния «новый» в «работоспособный» (RUNNABLE) следует выполнить метод start(), вызывающий метод run().

Поток может находиться в одном из состояний, соответствующих элементам статически вложенного перечисления Thread.State:

NEW - поток создан, но еще не запущен;
RUNNABLE - поток выполняется;
BLOCKED - поток блокирован;
WAITING - поток ждет окончания работы другого потока;
TIMED_WAITING - поток некоторое время ждет окончания другого потока;
TERMINATED - поток завершен.

Пример использования Thread

В примере ChickenEgg рассматривается параллельная работа двух потоков (главный поток и поток Egg), в которых идет спор, «что было раньше, яйцо или курица?». Каждый поток высказывает свое мнение после небольшой задержки, формируемой методом ChickenEgg.getTimeSleep(). Побеждает тот поток, который последним говорит свое слово.

Package example; import java.util.Random; class Egg extends Thread { @Override public void run() { for(int i = 0; i < 5; i++) { try { // Приостанавливаем поток sleep(ChickenEgg.getTimeSleep()); System.out.println("Яйцо"); }catch(InterruptedException e){} } } } public class ChickenEgg { public static int getTimeSleep() { final Random random = new Random(); int tm = random.nextInt(1000); if (tm < 10) tm *= 100; else if (tm < 100) tm *= 10; return tm; } public static void main(String args) { Egg egg = new Egg (); // Создание потока System.out.println("Начинаем спор: кто появился первым?"); egg.start(); // Запуск потока for(int i = 0; i < 5; i++) { try { // Приостанавливаем поток Thread.sleep(ChickenEgg.getTimeSleep()); System.out.println("Курица"); }catch(InterruptedException e){} } if(egg.isAlive()) { // Cказало ли яйцо последнее слово? try { // Ждем, пока яйцо закончит высказываться egg.join(); } catch (InterruptedException e){} System.out.println("Первым появилось яйцо!!!"); } else { //если оппонент уже закончил высказываться System.out.println("Первой появилась курица!!!"); } System.out.println("Спор закончен"); } }

Начинаем спор: кто появился первым? Курица Курица Яйцо Курица Яйцо Яйцо Курица Курица Яйцо Яйцо Первым появилось яйцо!!! Спор закончен

Невозможно точно предсказать, какой поток закончит высказываться последним. При следующем запуске «победитель» может измениться. Это происходит вследствии так называемого «асинхронного выполнения кода». Асинхронность обеспечивает независимость выполнения потоков. Или, другими словами, параллельные потоки независимы друг от друга, за исключением случаев, когда бизнес-логика зависимости выполнения потоков определяется предусмотренными для этого средств языка.

Интерфейс Runnable

Интерфейс Runnable содержит только один метод run() :

Interface Runnable { void run(); }

Метод run() выполняется при запуске потока. После определения объекта Runnable он передается в один из конструкторов класса Thread .

Пример класса RunnableExample, реализующего интерфейс Runnable

Package example; class MyThread implements Runnable { Thread thread; MyThread() { thread = new Thread(this, "Дополнительный поток"); System.out.println("Создан дополнительный поток " + thread); thread.start(); } @Override public void run() { try { for (int i = 5; i > 0; i--) { System.out.println("\tдополнительный поток: " + i); Thread.sleep(500); } } catch (InterruptedException e) { System.out.println("\tдополнительный поток прерван"); } System.out.println("\tдополнительный поток завершён"); } } public class RunnableExample { public static void main(String args) { new MyThread(); try { for (int i = 5; i > 0; i--) { System.out.println("Главный поток: " + i); Thread.sleep(1000); } } catch (InterruptedException e) { System.out.println("Главный поток прерван"); } System.out.println("Главный поток завершён"); } }

При выполнении программы в консоль было выведено следующее сообщение.

Создан дополнительный поток Thread[Дополнительный поток,5,main] Главный поток: 5 дополнительный поток: 5 дополнительный поток: 4 Главный поток: 4 дополнительный поток: 3 дополнительный поток: 2 Главный поток: 3 дополнительный поток: 1 дополнительный поток завершён Главный поток: 2 Главный поток: 1 Главный поток завершён

Синхронизация потоков, synchronized

В процессе функционирования потоки часто используют общие ресурсы приложения, определенные вне потока. Если несколько потоков начнут одновременно вносить изменения в общий ресурс, то результаты выполнения программы могут быть непредсказуемыми. Рассмотрим следующий пример:

Package example; class CommonObject { int counter = 0; } class CounterThread implements Runnable { CommonObject res; CounterThread(CommonObject res) { this.res = res; } @Override public void run() { // synchronized(res) { res.counter = 1; for (int i = 1; i < 5; i++){ System.out.printf(""%s" - %d\n", Thread.currentThread().getName(), res.counter); res.counter++; try { Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){} } // } } } public class SynchronizedThread { public static void main(String args) { CommonObject commonObject= new CommonObject(); for (int i = 1; i < 6; i++) { Thread t; t = new Thread(new CounterThread(commonObject)); t.setName("Поток " + i); t.start(); } } }

В примере определен общий ресурс в виде класса CommonObject, в котором имеется целочисленное поле counter. Данный ресурс используется внутренним классом , создающим поток CounterThread для увеличения в цикле значения counter на единицу. При старте потока полю counter присваивается значение 1. После завершения работы потока значение res.counter должно быть равно 4.

Две строчки кода класса CounterThread закомментированы. О них речь пойдет ниже.

В главном классе программы SynchronizedThread.main запускается пять потоков. То есть, каждый поток должен в цикле увеличить значение res.counter с единицы до четырех; и так пять раз. Но результат работы программы, отображаемый в консоли, будет иным:

"Поток 4" - 1 "Поток 2" - 1 "Поток 1" - 1 "Поток 5" - 1 "Поток 3" - 1 "Поток 2" - 6 "Поток 4" - 7 "Поток 3" - 8 "Поток 5" - 9 "Поток 1" - 10 "Поток 2" - 11 "Поток 4" - 12 "Поток 5" - 13 "Поток 3" - 13 "Поток 1" - 15 "Поток 4" - 16 "Поток 2" - 16 "Поток 3" - 18 "Поток 5" - 18 "Поток 1" - 20

То есть, с общим ресурсов res.counter работают все потоки одновременно, поочередно изменяя значение.

Чтобы избежать подобной ситуации, потоки необходимо синхронизировать. Одним из способов синхронизации потоков связан с использованием ключевого слова synchronized . Оператор synchronized позволяет определить блок кода или метод, который должен быть доступен только одному потоку. Можно использовать synchronized в своих классах определяя синхронизированные методы или блоки. Но нельзя использовать synchronized в переменных или атрибутах в определении класса.

Блокировка на уровне объекта

Блокировать общий ресурс можно на уровне объекта, но нельзя использовать для этих целей примитивные типы. В примере следует удалить строчные комментарии в классе CounterThread, после чего общий ресурс будет блокироваться как только его захватит один из потоков; остальные потоки будут ждать в очереди освобождения ресурса. Результат работы программы при синхронизации доступа к общему ресурсу резко изменится:

"Поток 1" - 1 "Поток 1" - 2 "Поток 1" - 3 "Поток 1" - 4 "Поток 5" - 1 "Поток 5" - 2 "Поток 5" - 3 "Поток 5" - 4 "Поток 4" - 1 "Поток 4" - 2 "Поток 4" - 3 "Поток 4" - 4 "Поток 3" - 1 "Поток 3" - 2 "Поток 3" - 3 "Поток 3" - 4 "Поток 2" - 1 "Поток 2" - 2 "Поток 2" - 3 "Поток 2" - 4

Следующий код демонстрирует порядок использования оператора synchronized для блокирования доступа к объекту.

Synchronized (оbject) { // other thread safe code }

Блокировка на уровне метода и класса

Блокировать доступ к ресурсам можно на уровне метода и класса. Следующий код показывает, что если во время выполнения программы имеется несколько экземпляров класса DemoClass, то только один поток может выполнить метод demoMethod(), для других потоков доступ к методу будет заблокирован. Это необходимо когда требуется сделать определенные ресурсы потокобезопасными.

Public class DemoClass { public synchronized static void demoMethod(){ // ... } } // или public class DemoClass { public void demoMethod(){ synchronized (DemoClass.class) { // ... } } }

Каждый объект в Java имеет ассоциированный с ним монитор, который представляет своего рода инструмент для управления доступа к объекту. Когда выполнение кода доходит до оператора synchronized , монитор объекта блокируется, предоставляя монопольный доступ к блоку кода только одному потоку, который произвел блокировку. После окончания работы блока кода, монитор объекта освобождается и он становится доступным для других потоков.

Некоторые важные замечания использования synchronized

1. Синхронизация в Java гарантирует, что два потока не могут выполнить синхронизированный метод одновременно.
2. Оператор synchronized можно использовать только с методами и блоками кода, которые могут быть как статическими, так и не статическими.
3. Если один из потоков начинает выполнять синхронизированный метод или блок, то этот метод/блок блокируются. Когда поток выходит из синхронизированного метода или блока JVM снимает блокировку. Блокировка снимается, даже если поток покидает синхронизированный метод после завершения из-за каких-либо ошибок или исключений.
4. Синхронизация в Java вызывает исключение NullPointerException, если объект, используемый в синхронизированном блоке, не определен, т.е. равен null.
5. Синхронизированные методы в Java вносят дополнительные затраты на производительность приложения. Поэтому следует использовать синхронизацию, когда она абсолютно необходима.
6. В соответствии со спецификацией языка нельзя использовать synchronized в конструкторе, т.к. приведет к ошибке компиляции.

Примечание: для синхронизации потоков можно использовать объекты синхронизации Synchroniser"s пакета java.util.concurrent .

Взаимная блокировка

С использованием блокировок необходимо быть очень внимательным, чтобы не создать «взаимоблокировку», которая хорошо известна разработчикам. Этот термин означает, что один из потоков ждет от другого освобождения заблокированного им ресурса, в то время как сам также заблокировал один из ресурсов, доступа к которому ждёт второй поток. В данном процессе могут участвовать два и более потоков.

Основные условия возникновения взаимоблокировок в многопотоковом приложении:

• наличие ресурсов, которые должны быть доступны только одному потоку в произвольный момент времени;
• при захвате ресурса поток пытается захватить еще один уникальный ресурс;
• отсутствует механизм освобождения ресурса при продолжительном его удержании;
• во время исполнения несколько потоков могут захватить разные уникальные ресурсы и ждать друг от друга их освобождения.

Взаимодействие между потоками в Java, wait и notify

При взаимодействии потоков часто возникает необходимость приостановки одних потоков и их последующего извещения о завершении определенных действий в других потоков. Так например, действия первого потока зависят от результата действий второго потока, и надо каким-то образом известить первый поток, что второй поток произвел/завершил определенную работу. Для подобных ситуаций используются методы:

• wait() - освобождает монитор и переводит вызывающий поток в состояние ожидания до тех пор, пока другой поток не вызовет метод notify();
• notify() - продолжает работу потока, у которого ранее был вызван метод wait();
• notifyAll() - возобновляет работу всех потоков, у которых ранее был вызван метод wait().

Все эти методы вызываются только из синхронизированного контекста (синхронизированного блока или метода).

Рассмотрим пример «Производитель-Склад-Потребитель» (Producer-Store-Consumer). Пока производитель не поставит на склад продукт, потребитель не может его забрать. Допустим производитель должен поставить 5 единиц определенного товара. Соответственно потребитель должен весь товар получить. Но, при этом, одновременно на складе может находиться не более 3 единиц товара. При реализации данного примера используем методы wait() и notify() .

Листинг класса Store

Package example; public class Store { private int counter = 0; public synchronized void get() { while (counter < 1) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) {} } counter--; System.out.println("-1: товар забрали"); System.out.println("\tколичество товара на складе: " + counter); notify(); } public synchronized void put() { while (counter >= 3) { try { wait(); }catch (InterruptedException e) {} } counter++; System.out.println("+1: товар добавили"); System.out.println("\tколичество товара на складе: " + counter); notify(); } }

Класс Store содержит два синхронизированных метода для получения товара get() и для добавления товара put() . При получении товара выполняется проверка счетчика counter. Если на складе товара нет, то есть counter < 1, то вызывается метод wait() , который освобождает монитор объекта Store и блокирует выполнение метода get() , пока для этого монитора не будет вызван метод notify() .

При добавлении товара также выполняется проверка количества товара на складе. Если на складе больше 3 единиц товара, то поставка товара приостанавливается и вызывается метод notify() , который передает управление методу get() для завершения цикла while().

Листинги классов Producer и Consumer

Классы Producer и Consumer реализуют интерфейс Runnable , методы run() у них переопределены. Конструкторы этих классов в качестве параметра получают объект склад Store. При старте данных объектов в виде отдельных потоков в цикле вызываются методы put() и get() класса Store для «добавления» и «получения» товара.

Package example; public class Producer implements Runnable { Store store; Producer(Store store) { this.store=store; } @Override public void run() { for (int i = 1; i < 6; i++) { store.put(); } } } public class Consumer implements Runnable { Store store; Consumer(Store store) { this.store=store; } @Override public void run(){ for (int i = 1; i < 6; i++) { store.get(); } } }

Листинг класса Trade

В главном потоке класса Trade (в методе main ) создаются объекты Producer-Store-Consumer и стартуются потоки производителя и потребителя.

Package example; public class Trade { public static void main(String args) { Store store = new Store(); Producer producer = new Producer(store); Consumer consumer = new Consumer(store); new Thread(producer).start(); new Thread(consumer).start(); } }

При выполнении программы в консоль будут выведены следующие сообщения:

1: товар добавили количество товара на складе: 1 +1: товар добавили количество товара на складе: 2 +1: товар добавили количество товара на складе: 3 -1: товар забрали количество товара на складе: 2 -1: товар забрали количество товара на складе: 1 -1: товар забрали количество товара на складе: 0 +1: товар добавили количество товара на складе: 1 +1: товар добавили количество товара на складе: 2 -1: товар забрали количество товара на складе: 1 -1: товар забрали количество товара на складе: 0

Поток-демон, daemon

Java приложение завершает работу тогда, когда завершает работу последний его поток. Даже если метод main() уже завершился, но еще выполняются порожденные им потоки, система будет ждать их завершения.

Однако это правило не относится к потоков-демонам (daemon ). Если завершился последний обычный поток процесса, и остались только daemon потоки, то они будут принудительно завершены и выполнение приложения закончится. Чаще всего daemon потоки используются для выполнения фоновых задач, обслуживающих процесс в течение его жизни.

Объявить поток демоном достаточно просто. Для этого нужно перед запуском потока вызвать его метод setDaemon(true). Проверить, является ли поток daemon "ом можно вызовом метода isDaemon(). В качестве примера использования daemon-потока можно рассмотреть класс Trade, который принял бы следующий вид:

Package example; public class Trade { public static void main(String args) { Producer producer = new Producer(store); Consumer consumer = new Consumer(store); // new Thread(producer).start(); // new Thread(consumer).start(); Thread tp = new Thread(producer); Thread tc = new Thread(consumer); tp.setDaemon(true); tc.setDaemon(true); tp.start(); tc.start(); try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {} System.out.println("\nГлавный поток завершен\n"); System.exit(0); } }

Здесь можно самостоятельно поэкспериментировать с определением daemon-потока для одного из классов (producer, consumer) или обоих классов, и посмотреть, как система (JVM) будет вести себя.

Thread и Runnable, что выбрать?

Зачем нужно два вида реализации многопоточности; какую из них и когда использовать? Ответ несложен. Реализация интерфейса Runnable используется в случаях, когда класс уже наследует какой-либо родительский класс и не позволяет расширить класс Thread . К тому же хорошим тоном программирования в java считается реализация интерфейсов. Это связано с тем, что в java может наследоваться только один родительский класс. Таким образом, унаследовав класс Thread , невозможно наследовать какой-либо другой класс.

Расширение класса Thread целесообразно использовать в случае необходимости переопределения других методов класса помимо метода run().

Приоритеты выполнения и голодание

Иногда разработчики используют приоритеты выполнения потока. В Java есть планировщик потоков (Thread Scheduler ), который контролирует все запущенные потоки и решает, какие потоки должны быть запущены и какая строка кода должна выполняться. Решение основывается на приоритете потока. Поэтому потоки с меньшим приоритетом получают меньше процессорного времени по сравнению с потоками с бо́льшим приоритет. Данное разумное решением может стать причиной проблем при злоупотреблении. То есть, если бо́льшую часть времени исполняются потоки с высоким приоритетом, то низкоприоритетные потоки начинают «голодать», поскольку не получают достаточно времени для того, чтобы выполнить свою работу должным образом. Поэтому рекомендуется задавать приоритет потока только тогда, когда для этого имеются веские основания.

Неочевидный пример «голодания» потока даёт метод finalize() , предоставляющий возможность выполнить код перед тем, как объект будет удалён сборщиком мусора. Однако приоритет финализирующего потока невысокий. Следовательно, возникают предпосылки для потокового голодания, когда методы finalize() объекта тратят слишком много времени (большие задержки) по сравнению с остальным кодом.

Другая проблема со временем исполнения может возникнуть от того, что не был определен порядок прохождения потоком блока synchronized . Когда несколько параллельных потоков должны выполнить некоторый код, оформленный блоком synchronized , может получиться так, что одним потокам придётся ждать дольше других, прежде чем войти в блок. Теоретически они могут вообще туда не попасть.

Скачать примеры

Рассмотренные на странице примеры многопоточности и синхронизации потоков в виде проекта Eclipse можно скачать (14Кб).

Последнее обновление: 27.04.2018

Большинство языков программирования поддерживают такую важную функциональность как многопоточность, и Java в этом плане не исключение. При помощи многопоточности мы можем выделить в приложении несколько потоков, которые будут выполнять различные задачи одновременно. Если у нас, допустим, графическое приложение, которое посылает запрос к какому-нибудь серверу или считывает и обрабатывает огромный файл, то без многопоточности у нас бы блокировался графический интерфейс на время выполнения задачи. А благодаря потокам мы можем выделить отправку запроса или любую другую задачу, которая может долго обрабатываться, в отдельный поток. Поэтому большинство реальных приложений, которые многим из нас приходится использовать, практически не мыслимы без многопоточности.

Класс Thread

В Java функциональность отдельного потока заключается в классе Thread . И чтобы создать новый поток, нам надо создать объект этого класса. Но все потоки не создаются сами по себе. Когда запускается программа, начинает работать главный поток этой программы. От этого главного потока порождаются все остальные дочерние потоки.

С помощью статического метода Thread.currentThread() мы можем получить текущий поток выполнения:

Public static void main(String args) { Thread t = Thread.currentThread(); // получаем главный поток System.out.println(t.getName()); // main }

По умолчанию именем главного потока будет main .

Для управления потоком класс Thread предоставляет еще ряд методов. Наиболее используемые из них:

getName() : возвращает имя потока

setName(String name) : устанавливает имя потока

getPriority() : возвращает приоритет потока

setPriority(int proirity) : устанавливает приоритет потока. Приоритет является одним из ключевых факторов для выбора системой потока из кучи потоков для выполнения. В этот метод в качестве параметра передается числовое значение приоритета - от 1 до 10. По умолчанию главному потоку выставляется средний приоритет - 5.

isAlive() : возвращает true, если поток активен

isInterrupted() : возвращает true, если поток был прерван

join() : ожидает завершение потока

run() : определяет точку входа в поток

sleep() : приостанавливает поток на заданное количество миллисекунд

start() : запускает поток, вызывая его метод run()

Мы можем вывести всю информацию о потоке:

Public static void main(String args) { Thread t = Thread.currentThread(); // получаем главный поток System.out.println(t); // main }

Консольный вывод:

Thread

Первое main будет представлять имя потока (что можно получить через t.getName()), второе значение 5 предоставляет приоритет потока (также можно получить через t.getPriority()), и последнее main представляет имя группы потоков, к которому относится текущий - по умолчанию также main (также можно получить через t.getThreadGroup().getName())

Недостатки при использовании потоков

Далее мы рассмотрим, как создавать и использовать потоки. Это довольно легко. Однако при создании многопоточного приложения нам следует учитывать ряд обстоятельств, которые негативно могут сказаться на работе приложения.

На некоторых платформах запуск новых потоков может замедлить работу приложения. Что может иметь большое значение, если нам критичная производительность приложения.

Для каждого потока создается свой собственный стек в памяти, куда помещаются все локальные переменные и ряд других данных, связанных с выполнением потока. Соответственно, чем больше потоков создается, тем больше памяти используется. При этом надо помнить, в любой системе размеры используемой памяти ограничены. Кроме того, во многих системах может быть ограничение на количество потоков. Но даже если такого ограничения нет, то в любом случае имеется естественное ограничение в виде максимальной скорости процессора.