Написание параллельного кода – непростая задача, а проверка его корректности – задача еще сложнее. Несмотря на то, что Java предоставляет обширную поддержку многопоточности и синхронизации на уровне языка и API, на деле же оказывается, что написание корректного многопоточного Java-кода зависит от опыта и усердности конкретного программиста. Ниже изложен набор советов, которые помогут вам качественно повысить уровень вашего многопоточного кода на Java. Некоторые из вас, возможно, уже знакомы с этими советами, но никогда не помешает освежать их в памяти раз в пару лет.
Многие из этих советов появились в процессе обучения и практического программирования, а также после прочтения книг «Java concurrency in practice» и «Effective Java» . Я советую прочитать первую каждому Java-программисту два раза; да, всё правильно, ДВА раза. Параллелизм – запутанная и сложная для понимания тема (как, например, для некоторых – рекурсия), и после однократного прочтения вы можете не до конца всё понять.
Единственная цель использования параллелизма – создание масштабируемых и быстрых приложений, но при этом всегда следует помнить, что скорость не должна становиться помехой корректности. Ваша Java-програма должна удовлетворять своему инварианту независимо от того, запущена ли она в однопоточном или многотопочном виде. Если вы новичок в параллельном программировании, для начала ознакомьтесь с различными проблемами, возникающими при параллельном запуске программ (например: взаимная блокировка, состояние гонки, ресурсный голод и т.д.).
1. Используйте локальные переменные
Всегда старайтесь использовать локальные переменные вместо полей класса или статических полей. Иногда разработчики используют поля класса, чтобы сэкономить память и переиспользовать переменные, полагая, что создание локальной переменной при каждом вызове метода может потребовать большого количества дополнительной памяти. Одним из примеров такого использования может послужить коллекция (Collection), объявленная как статическое поле и переиспользуемая с помощью метода clear(). Это переводит класс в общее состояние, которого он иметь не должен, т.к. изначально создавался для параллельного использования в нескольких потоках. В коде ниже метод execute() вызывается из разных потоков, а для реализации нового функционала потребовалась временная коллекция. В оригинальном коде была использована статическая коллекция (List), и намерение разработчика были ясны - очищать коллекцию в конце метода execute() , чтобы потом можно было её заново использовать. Разработчик полагал, что его код потокобезопасен, потому что CopyOnWriteArrayList потокобезопасен. Но это не так - метод execute() вызывается из разных потоков, и один из потоков может получить доступ к данным, записанным другим потоком в общий список. Синхронизация, предоставляемая CopyOnWriteArrayList в данном случае недостаточна для обеспечения инвариантности метода execute() .
Public static class ConcurrentTask { private static List temp = Collections.synchronizedList(new ArrayList()); @Override public void execute(Message message) { // Используем локальный временный список // List temp = new ArrayList(); // Добавим в список что-нибудь из сообщения temp.add("message.getId()"); temp.add("message.getCode()"); temp.clear(); // теперь можно переиспользовать } }
Проблема: Данные одного сообщения попадут в другое, если два вызова execute() «пересекаются», т.е. первый поток добавит id из первого сообщения, затем второй поток добавит id из второго сообщения (это произойдёт ещё до очистки списка), таким образом данные одного из сообщений будут повреждены.
Варианты решений:
- Добавить блок синхронизации в ту часть кода, где поток добавляет что-то во временный список и очищает его. Таким образом, другой поток не сможет получить доступ к списку, пока первый не закончит работу с ним. В таком случае эта часть кода будет однопоточной, что уменьшит производительность приложения в целом.
- Использовать локальный список в место поля класса. Да, это увеличит затраты памяти, но избавит от блока синхронизации и сделает код более читаемым. Также вам не придётся беспокоиться о временных объектах – о них позаботится сборщик мусора.
Здесь представлен только один из случаев, но при написании параллельного кода лично я предпочитаю локальные переменные полям класса, если последних не требует архитектура приложения.
2. Предпочитайте неизменяемые классы изменяемым
Самая широко известная практика в многопоточном программировании на Java – использование неизменяемых (immutable) классов. Неизменяемые классы, такие как String, Integer и другие упрощают написание параллельного кода в Java, т.к. вам не придётся беспокоиться о состоянии объектов данных классов. Неизменяемые классы уменьшают количество элементов синхронизации в коде . Объект неизменяемого класса, будучи однажды созданным, не может быть изменён. Самый лучший пример такого класса – строка (java.lang.String). Любая операция изменения строки в Java (перевод в верхний регистр, взятие подстроки и пр.) приведёт к созданию нового объекта String для результата операции, оставив исходную строку нетронутой.
3. Сокращайте области синхронизации
Любой код внутри области синхронизации не может быть исполнен параллельно, и если в вашей программе 5% кода находится в блоках синхронизации, то, согласно закону Амдала, производительность всего приложения не может быть улучшена более, чем в 20 раз. Главная причина этого в том, что 5% кода всегда выполняется последовательно. Вы можете уменьшить это количество, сокращая области синхронизации – попробуйте использовать их только для критических секций. Лучший пример сокращения областей синхронизации – блокировка с двойной проверкой, которую можно реализовать в Java 1.5 и выше с помощью volatile переменных.
4. Используйте пул потоков
Создание потока (Thread) - дорогая операция. Если вы хотите создать масштабируемое Java-приложение, вам нужно использовать пул потоков. Помимо тяжеловесности операции создания, управление потокам вручную порождает много повторяющегося кода, который, перемешиваясь с бизнес-логикой, уменьшает читаемость кода в целом. Управление потоками – задача фреймворка, будь то инструмент Java или любой другой, который вы захотите использовать. В JDK есть хорошо организованный, богатый и полностью протестированный фреймворк, известный как Executor framework , который можно использовать везде, где потребуется пул потоков.
5. Используйте утилиты синхронизации вместо wait() и notify()
В Java 1.5 появилось множество утилит синхронизации, таких как CyclicBarrier, CountDownLatch и Semaphore. Вам всегда следует сначала изучить, что есть в JDK для синхронизации, прежде чем использовать wait() и notify() . Будет намного проще реализовать шаблон читатель-писатель с помощью BlockingQueue, чем через wait() и notify() . Также намного проще будет подождать 5 потоков для завершения вычислений, используя CountDownLatch, чем реализовывать то же самое через wait() и notify() . Изучите пакет java.util.concurrent , чтобы писать параллельный код на Java лучшим образом.
6. Используйте BlockingQueue для реализации Producer-Consumer
Этот совет следует из предыдущего, но я выделил его отдельно ввиду его важности для параллельных приложений, используемых в реальном мире. Решение многих проблем многопоточности основано на шаблоне Producer-Consumer, и BlockingQueue – лучший способ реализации его в Java. В отличие от Exchanger, который может быть использовать в случае одного писателя и читателя, BlockingQueue может быть использована для правильной обработки нескольких писателей и читателей.
7. Используйте потокобезопасные коллекции вместо коллекций с блокированием доступа
Потокобезопасные коллекции предоставляют большую масштабируемость и производительность, чем их аналоги с блокированием доступа (Collections.synchronizedCollection и пр.). СoncurrentHashMap, которая, по моему мнению, является самой популярной потокобезопасной коллекцией, демострирует лучшую производителность, чем блокировочные HashMap или Hashtable, в случае, когда количество читателей превосходит количество писателей. Другое преимущество потокобезопасных коллекций состоит в том, что они реализованы с помощью нового механизма блокировки (java.util.concurrent.locks.Lock) и используют нативные механизмы сихнронизации, предоставленные низлежащим аппаратным обеспечением и JVM. Вдобавок используйте CopyOnWriteArrayList вместо Collections.synchronizedList , если чтение из списка происходит чаще, чем его изменение.
8. Используйте семафоры для создания ограничений
Чтобы создать надёжную и стабильную систему, у вас должны быть ограничения на ресурсы (базы данных, файловую систему, сокеты и т.д.). Ваш код ни в коем случае не должен создавать и/или использовать бесконечное количество ресурсов. Семафоры (java.util.concurrent.Semaphore) - хороший выбор для создания ограничений на использование дорогих ресурсов, таких как подключения к базе данных (кстати, в этом случае можно использовать пул подключений). Семафоры помогут создать ограничения и заблокируют потоки в случае недоступности ресурса.
9. Используйте блоки синхронизации вместо блокированных методов
Данный совет расширяет совет по сокращению областей синхрониации. Использование блоков синхронизации – один из методов сокращения области синхронизации, что также позволяет выполнить блокировку на объекте, отличном от текущего, представленного указателем this . Первым кандитатом должна быть атомарная переменная, затем volatile переменная, если они удовлетворяют ваши требования к синхронизации. Если вам требуется взаимное исключение, используйте в первую очередь ReentrantLock, либо блок synchronized . Если вы новичок в параллельном программировании, и не разрабатываете какое-либо жизненно важное приложение, можете просто использовать блок synchronized - так будет безопаснее и проще.
10. Избегайте использования статических переменных
Как показано в первом совете, статические переменные, будучи использованными в параллельном коде, могут привести к возникновению множества проблем. Если вы всё-таки используете статическую переменную, убедитесь, что это константа либо неизменяемая коллекция. Если вы думаете о том, чтобы переиспользовать коллекцию с целью экономии памяти, вернитесь ещё раз к первому совету.
11. Используйте Lock вместо synchronized
Последний, бонусный совет, следует использовать с осторожностью. Интерфейс Lock - мощный инструмент, но его сила влечёт и большую ответственность. Различные объекты Lock на операции чтения и записи позволяют реализовывать масштабируемые структуры данных, такие как ConcurrentHashMap, но при этом требуют большой осторожности при своём программировании. В отличие от блока synchronized, поток не освобождает блокировку автоматически. Вам придётся явно вызывать unlock() , чтобы снять блокировку. Хорошей практикой является вызов этого метода в блоке finally, чтобы блокировка завершалась при любых условиях:
Lock.lock(); try { //do something ... } finally { lock.unlock(); }
Заключение
Вам были представлены советы по написанию многопоточного кода на Java. Ещё раз повторюсь, никогда не помешает перечитывать «Java concurrency in practice» и «Effective Java» время от времени. Также можно вырабатывать нужный для параллельного програмирования способ мышления, просто читая чужой код и пытаясь визуализировать проблемы во время разработки. В завершение спросите себя, каких правил вы придерживаетесь, когда разрабатываете многопоточные приложения на Java?
Немного о принципе многопоточности
Многопоточность - это принцип построения программы, при котором несколько блоков могут выполняться одновременно и не мешать друг другу. Предположим, нам необходимо, чтобы какие-то операции выполнялись одновременно.
Например, у нас существует два объекта, выполняющие конкретные операции независимо друг от друга. Но они используют один и тот же метод, который добавляет к статической переменной число, передаваемое методу в параметре. Однако если эти операции будут выполняться одновременно, то непонятно будет, что запишется в этой переменной, ведь мы одновременно прибавляем к исходному значению переменной два разных числа.
Возникнет странная ситуация. Для того чтобы такого не происходило, для этого метода необходимо установить так называемый признак блокировки. Если какой-либо объект начинает выполнять метод, то происходит блокировка этого метода, и никто больше не может его выполнить, пока данный объект не закончит работу с ним. Все другие объекты, которые должны выполнить этот метод, будут находиться в состоянии ожидания.
Создание потоков на основе класса Thread
Чтобы создать свой поток, необходимо создать дочерний класс класса Thread. Давайте создадим такой класс и затем разберем весь текст программы (листинг 5.7).
Листинг 5.7.
Создание потока на основе класса Thread
Public class MyThread extends Thread{ private int seconds; public MyThread(int seconds) { this.seconds = seconds; } public void run() { try { for (int i = 0; i < this.seconds; i++) { Thread.sleep(1000); System.out.println("Идет секунда: " + i); } } catch (InterruptedException e) { System.out.println("У нас проблемы с потоком"); } } public static void main(String args) { MyThread myThread = new MyThread(5); myThread.start(); new MyThread(15); } }
Вначале мы создаем дочерний класс для класса Thread, затем - конструктор с параметром, который установит количество секунд выполнения потока. После этого мы определяем метод run. который начинает действовать при запуске потока.
Чтобы его вызвать, необходимо вызвать метод start () - «стартовать поток».
У класса Thread есть метод sleep, который позволяет приостановить выполнение потока на заданное количество миллисекунд (внимание: отсчет идет в миллисекундах). Чтобы использовать данный метод, необходимо поместить его в блок try, а блок catch сделать обрабатывающим исключение InterruptedException. Затем мы запускаем два потока, которые будут выполняться одновременно. Чтобы их различить, можно переделать код так (листинг 5.8).
Листинг 5.8.
Создание двух потоков, которые будут выполняться в классе Thread одновременно
Public class MyThread extends Thread{ private int seconds; private static int numbers = 0; private int number; public static int setNumber() { return ++numbers; } public MyThread(int seconds) { this.seconds = seconds; number = MyThread.setNumber(); } public void run() { try { for (int i = 0; i < this.seconds; i++) { Thread.sleep(1000); System.out.println("Идет секунда: " + i + " выполнения потока под номером " + this.number); } } catch (InterruptedException e) { System.out.println("У нас проблемы с потоком"); } } public static void main(String args) { MyThread myThread = new MyThread(5); myThread.start(); new MyThread(15).start(); } }
Теперь мы каждому потоку присвоили свой уникальный номер.
Использование интерфейса Runnable
Можно создавать классы потоков, реализуя интерфейс Runnable. Это бывает порой значительно удобнее. Например, код из предыдущего примера можно переписать так (листинг 5.9).
Листинг 5.9.
Создание классов потоков с использованием интерфейса Runnable
В некоторых случаях так представляется удобней: обычно у подобного создания потоков более короткая запись.
И в том и в другом случае потоку можно присвоить имя. Обычно оно задается в конструкторе в качестве последнего параметра.
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.
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.В этой статье рассказывается, как реализовать потоки, используя язык программирования Java. Перед тем как рассмотреть детали программирования на Java, давайте приступим к обзору о потоках в общем.
Если сказать просто, то поток(thread) – это путь программного выполнения. Большинство программ, написанных сегодня, запускаются одним потоком, проблемы начинают возникать, когда несколько событий или действий должны произойти в одно время. Допустим, например, программа не способна рисовать картинку пока выполняет чтение нажатия клавиш. Программа должна уделять всё своё внимание клавиатуре, вследствие чего отсутствует возможность обрабатывать более одного события одновременно. Идеальным решением для этой проблемы может служить возможность выполнения двух или более разделов программы в одно время. Потоки позволяют нам это сделать.
Многопоточные приложения предоставляют мощь при запуске многих потоков в рамках одной программы. С логической точки зрения, многопоточность означает, что несколько строк из одной и той же программы могут быть выполнены в одно и то же время, однако, это не то же самое, что запустить программу дважды и сказать, что несколько строк кода выполняются в одно время. В этом случае, операционная система обрабатывает две программы раздельно и как отдельные процессы. В Unix, разветвляющий(forking) процесс создаёт дочерний процесс с разным адресным пространством для кода и данных. Вместе с тем, fork() создаёт много накладок для операционной системы, это влечёт за собой интенсивную нагрузку на процессор. При запуске потока, эффективный путь выполнения создаётся за счёт распределения исходного пространство данных родителя. Идея совместного использования данных очень выгодна, но вызывает некоторые вопросы, которые мы обсудим позже.
Создание потоков
Создатели Java милостиво предоставили две возможности создания потоков: реализовать(implementing) интерфейс и расширить(extending) класс. Расширение класса это путь наследования методов и переменных класса родителя. В этом случае можно наследоваться только от одного родительского класса. Это ограничение внутри Java можно побороть реализацией интерфейса, который является наиболее распространённым способом создания потоков. (Заметим, что способ наследования позволяет только запустить класс как поток. Это позволяет классу только выполнить start() и т.п.).
Интерфейсы дают возможность программистам заложить фундамент одного класса. Они используются для разработки требований к набору классов для реализации. Интерфейс устанавливает правила. Разные наборы классов, которые реализуют интерфейс, должны следовать этим правилам.
Есть некоторые отличия между классом и интерфейсом. Во-первых, интерфейс может только содержать абстрактные методы и/или static final переменные (константы). Классы, с другой стороны, могут реализовывать методы и содержать переменные, которые не выступают в качестве констант. Во-вторых, интерфейс не может реализовывать никаких методов. Класс, который реализовывает интерфейс, должен реализовать все методы, которые описаны в интерфейсе. У интерфейса есть возможность расширяться за счёт других интерфейсов, и (в отличие от классов) могут расширяться от нескольких интерфейсов. К тому же, экземпляр интерфейса не может быть создан, используя, оператор new; например, Runnable a = new Runnable(); не разрешается .
Для первого способа создания потока необходимо просто наследоваться от класса Thread. Делайте так, только если классу нужно только выполниться как отдельному потоку и никогда не понадобиться наследоваться от другого класса. Класс Thread определён в пакете java.lang, который необходимо импортировать, что бы наши классы знали о его описании:
import java.lang.*;
public class Counter extends Thread {
public void run() {
....
}
}
Пример выше создаёт новый класс Counter, который расширяет класс Thread и подменяет метод Thread.run() для своей реализации. В методе run() происходит вся работа класса Counter как потока. Такой же класс можно создать, реализуя интерфейс Runnable:
import java.lang.*;
public class Counter implements Runnable {
Thread T;
public void run() {
....
}
}
Здесь осуществляется абстрактный метод run(), который описан в интерфейсе Runnable. Отметим, что у нас есть экземпляр класса Thread, переменная класса Counter. Единственное отличие этих двух методов заключается в том, что реализация Runnable является более гибкой для создания класса Counter. В примере, который описан выше, есть возможность расширения класса Counter, если в этом есть такая необходимость. Большинство классов, которые должны выполняться как потоки, реализуют Runnable, поскольку они, вероятно, могут расширить свою функциональность за счёт другого класса.
Не подумайте, что интерфейс Runnable выполняет какую-то реальную работу, когда поток запускается. Это всего лишь класс, созданный для того, что бы дать представление о классе Thread. На самом деле, это очень небольшой, содержащий только один абстрактный метод интерфейс. Это описание интерфейса Runnable, взятое из исходных кодов Java:
package java.lang;
public interface Runnable {
public abstract void run();
}
Это и всё, что есть в интерфейсе Runnable. Интерфейс – это всего лишь описание, которое классы должны реализовать. Итак, Runnable, заставляет только запустить метод run(). Вследствие этого, большая часть работы полагается на класс Thread. Более пристальный взгляд на класс Thread даст представление о том, что на самом деле происходит:
public class Thread implements Runnable {
...
public void run() {
if (target != null) {
target.run();
}
}
...
}
Во фрагменте кода, который представлен выше видно, что класс Thread, так же реализует интерфейс Runnable. Thread.run() выполняет проверку, что бы удостовериться в том, что этот класс (класс, который выполняется как поток) не равен null, и только потом выполняет метод run(). Когда это произойдёт, то метод run() запустит поток.
Запуск и остановка
Различные способы создания объектов потока сейчас очевидны, мы продолжим дискуссию о реализации потоков, начиная с путей запуска и остановки их, используя, маленький applet, который содержит поток для иллюстрации этих механизмов:
Апплет выше, начнёт отсчёт с нуля и будет отображать это и на экране, и в консоль. На первый взгляд может сложиться впечатление, что программа начинает отсчёт и показывает каждую цифру, но это не так. При более внимательном рассмотрении этого апплета будет выявлено, как на самом деле работает этот апплет.
В этом случае, класс CounterThread был вынужден реализовать интерфейс Runnnable, что бы дальше была возможность расширить класс Applet. Все апплеты начинают свою работу с метода init(), переменная Cout инициализируется нулём и создаётся новый объект класса Thread. Передавая this в конструктор класса Thread, таким образом, новый поток будет знать какой объект запускается. В этом случает this это ссылка на CounterThread. После того как поток создан его нужно запустить. Вызываем метод start(), который в свою очередь вызывает метод run() объекта CounterThread, то есть CounterThread.run(). Сразу выполниться метод start() и в это же время начнёт свою работу поток. Заметим, что в методе run() бесконечный цикл. Он бесконечен, потому что, как только выполниться метод run(), то поток закончит работу. Метод run() будет инкрементировать переменную Count, ожидать(sleep) 10 секунд и посылать запрос на обновление экрана апплета.
Заметим, что вызова метода sleep именно в потоке является очень важным. Если это не так, то программа займёт всё процессорное время для своего процесса и не даст возможности любым другим методам, например методам, выполниться. Другой способ остановить выполнение потока это вызвать метод stop(). В данном примере, поток останавливается, когда происходит нажатие мыши в пределах апплета. В зависимости от скорости компьютера, на котором запущен апплет, не все числа будут отображены, потому что инкрементирование происходит независимо от прорисовки апплета. Апплет может не обновляться после каждого запроса на прорисовку, так как ОС может поставить запрос в очередь запросов и последующие запросы на обновление будут удовлетворены с одним запросом. Пока запросы на перерисовку собираются в очередь, переменная Count продолжает увеличиваться, но не отображается.
Приостановка и возобновление
Когда поток остановлен с использованием метода stop() он уже не может быть возобновлён с использованием метода start(), сразу после вызова метода stop() происходит уничтожение выполняющегося потока. Вместо этого вы можете приостановить выполнение потока, используя метод sleep() на определённый отрезок времени и потом выполнение потока продолжится, когда выйдет время. Но это не самое лучшее решение, если поток необходимо запустить, когда произойдёт определённое условие. Для этого, используется метод suspend(), который даёт возможность временно прекратить выполнение потока и метод resume(), который позволяет продолжить выполнение потока. Следующий апплет является изменением апплета, который был дан выше, но с использованием методов suspend() и resume():
public class CounterThread2 extends Applet implements Runnable
{
Thread t;
int Count;
boolean suspended;
public boolean mouseDown(Event e,int x, int y)
{
if(suspended)
t.resume();
else
t.suspend();
suspended = !suspended;
return true;
}
...
}
Для того чтобы сохранить текущее состояние апплета используется логическая(boolean) переменная suspended. Характеристики разных состояний апплета является важной частью, потому что некоторые методы могут выкидывать исключения, если они вызываются не из того состояния. Например, если поток запущен и остановлен, вызов метода start() приведёт к исключению IllegalThreadStateException .
Планирование
В Java есть Планировщик Потоков(Thread Scheduler), который контролирует все запущенные потоки во всех программах и решает, какие потоки должны быть запущены, и какая строка кода выполняться. Существует две характеристики потока, по которым планировщик идентифицирует процесс. Первая, более важная, это приоритет потока, другая, является-ли поток демоном(daemon flag). Простейшее правило планировщика, это если запущены только daemon потоки, то Java Virtual Machine (JVM) вызгрузиться. Новые потоки наследуют приоритет и daemon flag от потока, который его создал. Планировщик определяет какой поток должен быть запущен, анализируя приоритет всех потоков. Потоку с наивысшим приоритетом позволяется выполниться раньше, нежели потокам с более низкими приоритетами.
Планировщик может быть двух видов: с преимуществом и без. Планировщик с преимуществом предоставляет определённый отрезок времени для всех потоков, которые запущены в системе. Планировщик решает, какой поток следующий запуститься или возобновить работу через некоторый постоянный период времени. Когда поток запуститься, через этот определённый промежуток времени, то выполняющийся поток будет приостановлен и следующий поток возобновит свою работу. Планировщик без приоритета решает, какой поток должен запуститься и выполняться до того, пока не закончит свою работу. Поток имеет полный контроль над системой настолько долго, сколько ему захочется. Метод yield() можно использовать для того чтобы принудить планировщик выполнить другой поток, который ожидает своей очереди. В зависимости от системы, на которой запущена Java, планировщик может быть либо с преимуществом, либо без него.
Приоритеты
Планировщик определяет, какой поток должен запуститься, основываясь на номер приоритета, назначенный каждому потоку. Приоритет потока может принимать значения от 1 до 10. По умолчанию, значение приоритета для потока является Thread.NORM_PRIORITY, которому соответствует значение 5. Так же доступны две других static переменных: Thread.MIN_PRIORITY, значение 1, и Thread.MAX_PRIORITY – 10. Метод getPriority() может использоваться для получения текущего значения приоритета соответствующего потока.
Daemon потоки
Такие потоки иногда ещё называются “службами”, которые обычно запускаются с наименьшим приоритетом и обеспечивают основные услуги для программы или программ, когда деятельность компьютера понижается. Примером такого потока может служить сборщик мусора. Этот поток, предусмотрен JVM, сканирует программы на наличие переменных, к которым больше никогда не придется обращаться, и освобождает их ресурсы, возвращая их системе. Поток может стать daemon потоком, передав булево значение true в метод setDaemon(). Если принято значение false, то поток становится обычным пользовательским потоком. Тем не менее, это необходимо сделать до того как поток запустится.
Пример планирования
Представленный апплет демонстрирует выполнение двух потоков с разными приоритетами. Один поток запущен с наименьшим приоритетом, а другой с наивысшим. Потоки увеличивают значение счетчика, пока счетчик потока с большим приоритетом не догонит счетчик потока с меньшим приоритетом.
Заключение
Использование потоков в Java позволит программистам более гибко использовать преимущества Java в их программах. Простота создания, настраивания и запуска потоков даст Java программистам возможность разрабатывать переносимые и мощные апплеты/приложения, которые невозможно выполнить в других языках третьего поколения. Потоки позволяют любым программам выполнять несколько задач как одну. В интернет ориентированных(Internet-aware) языках, таких как Java, это очень важный инструмент.
Об авторе
Donald G. Drake программирует на Java начиная с альфа релиза(alpha release). Drake написал апплеты для специальных веб-сайтов. Наиболее популярна его версия TickerTape (http://www.netobjective.com/java/TickerTapeInfo.html), которая может быть широко сконфигурирована для внедрения в любые веб-страницы. Drake имеет степень бакалавра наук в области компьютерных наук в John Carroll University. В настоящее время он получает степень магистра наук в DePaul University.
должны воспользоваться классом java.lang.Thread. В этом классе определены все методы, необходимые для создания потоков, управления их состоянием и синхронизации.Как пользоваться классом Thread?
Есть две возможности.
- Во-первых, вы можете создать свой дочерний класс на базе класса Thread. При этом вы должны переопределить метод run. Ваша реализация этого метода будет работать в рамках отдельного потока.
- Во-вторых, ваш класс может реализовать интерфейс Runnable. При этом в рамках вашего класса необходимо определить метод run, который будет работать как отдельный поток.
Второй способ особенно удобен в тех случаях, когда ваш класс должен быть унаследован от какого-либо другого класса (например, от класса Applet) и при этом вам нужна многопоточность. Так как в языке программирования Java нет множественного наследования, невозможно создать класс, для которого в качестве родительского будут выступать классы Applet и Thread. В этом случае реализация интерфейса Runnable является единственным способом решения задачи.
Методы класса Thread
В классе Thread определены три поля, несколько конструкторов и большое количество методов, предназначенных для работы с потоками. Ниже мы привели краткое описание полей, конструкторов и методов.
С помощью конструкторов вы можете создавать потоки различными способами, указывая при необходимости для них имя и группу. Имя предназначено для идентификации потока и является необязательным атрибутом. Что же касается групп, то они предназначены для организации защиты потоков друг от друга в рамках одного приложения.
Методы класса Thread предоставляют все необходимые возможности для управления потоками, в том числе для их синхронизации.
Поля
Три статических поля предназначены для назначения приоритетов потокам.
- NORM_PRIORITY
Нормальный
public final static int NORM_PRIORITY;- MAX_PRIORITY
Максимальный
public final static int MAX_PRIORITY;- MIN_PRIORITY
Минимальный
public final static int MIN_PRIORITY;Конструкторы
Создание нового объекта Thread
public Thread();Создвание нового объекта Thread с указанием объекта, для которого будет вызываться метод run
public Thread(Runnable target); public Thread(Runnable target, String name);Создание объекта Thread с указанием его имени
public Thread(String name);Создание нового объекта Thread с указанием группы потока и объекта, для которого вызывается метод run
public Thread(ThreadGroup group, Runnable target);Аналогично предыдущему, но дополнительно задается имя нового объекта Thread
public Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name);Создание нового объекта Thread с указанием группы потока и имени объекта
public Thread(ThreadGroup group, String name);Методы
- activeCount
Текущее количество активных потоков в группе, к которой принадлежит поток
public static int activeCount();- checkAccess
Текущему потоку разрешается изменять объект Thread
public void checkAccesss();- countStackFrames
Определение количества фреймов в стеке
public int countStackFrames();- currentThread
Определение текущего работающего потока
public static Thread currentThread();- destroy
Принудительное завершение работы потока
public void destroy();- dumpStack
Вывод текущего содержимого стека для отладки
public static void dumpStack();- enumerate
Получение всех объектов Tread данной группы
public static int enumerate(Thread tarray);- getName
Определение имени потока
public final String getName();- getPriority
Определение текущего приоритета потока
public final int getPriority();- getThreadGroup
Определение группы, к которой принадлежит поток
public final ThreadGroup getThreadGroup();- interrupt
Прерывание потока
public void interrupt();- interrupted
- isAlive
Определение, выполняется поток или нет
public final boolean isAlive();- isDaemon
Определение, является ли поток демоном
public final boolean isDaemon();- isInterrupted
Определение, является ли поток прерванным
public boolean isInterrupted();- join
Ожидание завершения потока
public final void join();Ожидание завершения потока в течение заданного времени. Время задается в миллисекундах
public final void join(long millis);Ожидание завершения потока в течение заданного времени. Время задается в миллисекундах и наносекундах
public final void join(long millis, int nanos);- resume
Запуск временно приостановленного потока
public final void resume();Метод вызывается в том случае, если поток был создан как объект с интерфейсом Runnable
public void run();- setDaemon
Установка для потока режима демона
public final void setDaemon(boolean on);- setName
Устаовка имени потока
public final void setName(String name);- setPriority
Установка приоритета потока
public final void setPriority(int newPriority);- sleep
Задержка потока на заднное время. Время задается в миллисекундах и наносекундах
public static void sleep(long millis, int nanos);- start
Запуск потока на выполнение
public void start();- stop
Остановка выполнения потока
public final void stop();Аварийная остановка выполнения потока с заданным исключением
public final void stop(Throwable obj);- suspend
Приостановка потока
public final void suspend();- toString
Строка, представляющая объект-поток
public String toString();- yield
Приостановка текущего потока для того чтобы управление было передано другому потоку
public static void yield();Создание дочернего класса на базе класса Thread
Рассмотрим первый способ реализации многопоточности, основанный на наследовании от класса Thread. При использовании этого способа вы определяете для потока отдельный класс, например, так:
class DrawRectangles extends Thread { . . . public void run() { . . . } }Здесь определен класс DrawRectangles, который является дочерним по отношению к классу Thread.
Обратите внимание на метод run. Создавая свой класс на базе класса Thread, вы должны всегда определять этот метод, который и будет выполняться в рамках отдельного потока.
Заметим, что метод run не вызывается напрямую никакими другими методами. Он получает управление при запуске потока методом start.
Как это происходит?
Рассмотрим процедуру запуска потока на примере некоторого класса DrawRectangles.
Вначале ваше приложение должно создать объект класса Thread:
public class MultiTask2 extends Applet { Thread m_DrawRectThread = null; . . . public void start() { if (m_DrawRectThread == null) { m_DrawRectThread = new DrawRectangles(this); m_DrawRectThread.start(); } } }Создание объекта выполняется оператором new в методе start, который получает управление, когда пользователь открывает документ HTML с аплетом. Сразу после создания поток запускается на выполнение, для чего вызывается метод start.
Что касается метода run, то если поток используется для выполнения какой либо периодической работы, то этот метод содержит внутри себя бесконечный цикл. Когда цикл завершается и метод run возвращает управление, поток прекращает свою работу нормальным, не аварийным образом. Для аварийного завершения потока можно использовать метод interrupt.
Остановка работающего потока выполняется методом stop. Обычно остановка всех работающих потоков, созданных аплетом, выполняется методом stop класса аплета:
public void stop() { if (m_DrawRectThread != null) { m_DrawRectThread.stop(); m_DrawRectThread = null; } }Напомним, что этот метод вызывается, когда пользователь покидает страницу сервера Web, содержащую аплет.
Реализация интерфейса Runnable
Описанный выше способ создания потоков как объектов класса Thread или унаследованных от него классов кажется достаточнао естественным. Однако этот способ не единственный. Если вам нужно создать только один поток, работающую одновременно с кодом аплета, проще выбрать второй способ с использованием интерфейса Runnable.
Идея заключается в том, что основной класс аплета, который является дочерним по отношению к классу Applet, дополнительно реализует интерфейс Runnable, как это показано ниже:
public class MultiTask extends Applet implements Runnable { Thread m_MultiTask = null; . . . public void run() { . . . } public void start() { if (m_MultiTask == null) { m_MultiTask = new Thread(this); m_MultiTask.start(); } } public void stop() { if (m_MultiTask != null) { m_MultiTask.stop(); m_MultiTask = null; } } }Внутри класса необходимо определить метод run, который будет выполняться в рамках отдельного потока. При этом можно считать, что код аплета и код метода run работают одновременно как разные потоки.
Для создания потока используется оператор new. Поток создается как объект класса Thread, причем конструктору передается ссылка на класс аплета:
m_MultiTask = new Thread(this);При этом, когда поток запустится, управление получит метод run, определенный в классе аплета.
Как запустить поток?
Запуск выполняется, как и раньше, методом start. Обычно поток запускается из метода start аплета, когда пользователь отображает страницу сервера Web, содержащую аплет. Остановка потока выполняется методом stop.
