Многопоточное программирование в Java

Тимур Машнин

В многопроцессорных системах многопоточность решает проблему параллельного выполнения кода с наименьшими затратами.Поэтому многопоточность используется в большинстве реальных приложений.И Java, как и большинство языков программирования, поддерживает многопоточность.Познакомьтесь с реализацией процессов и потоков в Java, с управлением и синхронизацией потоков.Узнайте о пуле потоков, потокобезопасных коллекциях, синхронизаторах и параллельных потоках Stream.

Синхронизация потоков

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

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

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

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

Другой метод этого объекта уменьшает это число на единицу.

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

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

При одновременной записи возникнет интерференция потоков.

А при одновременной записи и чтении возникнет ошибка согласованности памяти.

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

Для этого используется блокировка.

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

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

Ключевое слово synchronized в Java обеспечивает:

Что только один поток может одновременно выполнять блок кода

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

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

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

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

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

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

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

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

Монитор представляет своего рода инструмент для управления доступа к объекту.

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

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

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

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

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

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

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

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

Это верно только для разных потоков.

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

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

Это верно только для вызовов методов одного экземпляра.

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

Другой способ создания синхронизированного кода — синхронизированные блоки.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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