Что делать если нужно выполнить какую-то операцию над одним и тем же ресурсом (например над переменной, или над файлом) из многих разных потоков?

Рассмотрим случай когда есть переменная x и хочется из разных потоков ее увеличивать на единицу.

Операция увеличения переменной на единицу состоит из трех шагов:

1) Прочитать из оперативной памяти (RAM) текущее значение переменной x и положить это значение в регистр процессора (это как если бы вы из своей записной книжки (из оперативной памяти) прочитали число и держали его в голове (т.е. положили бы его в регистр у процессора))

2) Увеличить число в регистре процессора на единицу (это как если бы вы увеличили число в голове на единицу и теперь держали бы в голове число )

3) Записать число из регистра в оперативную память по адресу переменной x (это как если бы вы поверх записи в своей записной книжке записали число из своей головы - )

Что здесь может пойти не так если большое число потоков пытается проделать такую операцию из трех шагов над одной и той же переменной? Шаги могут перемешаться и мы получим не то число.

Например пусть было число , два потока хотят каждый его увеличить, тем самым в результате мы хотели бы увидеть число , т.к. .

Но они работают параллельно, а это значит что они могли одновременно выполнить шаг 1), считать текущее значение переменной x, т.е. считать себе в регистр значение .

Увеличить его на (и получить единицу), и одновременно же записать обе полученные единицы в память соответствующую переменной x. Т.о. в результате будет все выглядеть со стороны так, как будто было выполнено одно увеличение на единичку. Печально.

Обобщение (хрупкие ресурсы)

Заметьте что данная проблема гораздо шире, это то же самое что может произойти если два субъекта попытаются одновременно что-то делать с ресурсом который одновременно может использовать лишь один.

Например если вы и ваш друг одновременно попытаются использовать один и тот же компьютер сидя на одном и том же стуле - вы скорее всего оба упадете на пол, ну или получите кол.

Как избежать такой ситуации? Хорошо бы иметь возможность “взять право владения на объект”, т.е. синхронизироваться с остальными, заявить свои права на данный объект, что вы его сейчас взяли, работаете с ним, и когда закончите работать - отпустите его, оповестите остальных и отдадите.

Так и с переменной - вы можете создать кусок кода, который одновременно будет выполнять лишь в одном потоке, в том, который сейчас захватил право работать с данным ресурсом.

Пример (с ошибкой)

public class StorageForX {
    public int x = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // Создаем объект с ресурсом (с переменной x)
        StorageForX storage = new StorageForX();
        System.out.println("x=" + storage.x);

        // Запускаем два потока - они будут увеличивать на единичку переменную storage.x
        System.out.println("Starting 2 threads...");
        IncrementerThread thread1 = new IncrementerThread(storage);
        IncrementerThread thread2 = new IncrementerThread(storage);
        thread1.start();
        thread2.start();
        // Дожидаемся когда оба потока закончат свое выполнение
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println("Finished!");

        // Каждый поток увеличивает переменную на единичку 10000 раз, т.о. в результате мы бы ожидале storage.x == 20000
        System.out.println("x=" + storage.x);
    }
}

public class IncrementerThread extends Thread {
    private StorageForX storage;

    public IncrementerThread(StorageForX storage) {
        this.storage = storage;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("IncrementerThread starts running...");
        for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
            this.storage.x += 1;
        }
        System.out.println("IncrementerThread finished!");
    }
}

Попробуйте прочитать код, запустить и понять его, затем создать чистый проект и написать что-то подобное самостоятельно почти не подглядывая.

Убедитесь что выводится какое-то случайное число между и .

Критическая секция synchronized

В Java у любого объекта есть встроенная функция “захватить над ним единоличную власть”, т.е. заявить что пока что “поток взял этот хрупкий ресурс и работает с ним, поэтому никакой другой поток не может пока что сделать то же самое - другой поток должен дождаться когда наш поток отпустит этот ресурс”.

Это называется синхронизация:

synchronized (objectLock) {
    System.out.println("Текущий поток захватил власть над объектом objectLock...");
    System.out.println("И не отдаст этот ресурс никакому другому потоку пока не дойдет до закрывающей фигурной скобки.");
    System.out.println("Если другой поток попытается захватить власть над этим же объетом, то он встанет в очередь ожидающих этот ресурс.");
    x += 1;
    System.out.println("И вот наконец мы сделали без вмешательства других потоков свои дела - увеличили переменную на 1, и можем отдать ресурс.");
    System.out.println("Как только мы дойдем до закрывающей фигурной скобки (до конца критической секции) в следующей строке - ресурс вновь будет свободен.");
}

Такой “потоко безопасный” кусок кода в фигурных скобках так же называется “критической секцией”.

Обратите внимние что гораздо естественне было бы вместо objectLock написать сам используемый ресурс x. Но т.к. это примитивный тип а не полноценный объект, то с ним так сделать нельзя, поэтому этой переменной нужен вспомогательный объект objectLock.

Упражнение 1: исправление примера

Возьмите ваш код подобный проблемному примеру выше, и поправьте его с использованием synchronized-секции.

Подсказка: Как объект-синхронизации (т.е. вместо objectLock) используйте storage.

Deadlock (взаимная блокировка)

Что будет если у вас есть два объекта и использующихся для синхронизации из двух потоков следующим образом:

  • Первый поток захватывает контроль сначала над а затем над (двумя вложенными секциями synchronized)
  • Второй поток захватывает контроль сначала над а затем над

Особенно хороший вопрос что будет если они попытаются синхронизироваться одновременно друг с другом? Например пусть:

1) Первый поток захватил контроль над

2) Второй поток захватил контроль над

3) Первый поток пытается захватить контроль над , но т.к. он уже захвачен вторым потоком - то первый поток встает в очередь и ждет когда освободится

4) Второй поток пытается захватить контроль над , но т.к. он уже захвачен первым потоком - то второй поток встает в очередь и ждет когда освободится

В результате оба потока будут вечно стоять в очереди на захват контроля над соответствующими объектами, ожидая друг друга, т.о. потоки друг друга взаимно заблокировали - случился deadlock.

Как его можно было бы избежать? Если бы оба потока брали контроль над объектами в одинаковом порядке - такого не могло бы случиться. Подумайте так ли это.

Упражнение 2: спровоцируйте deadlock

Создайте два потока которые будут постоянно пытаться взять в разном порядке два объекта под контроль, как это было продемонстрировано на уроке на примере двух банковских счетов.

Убедитесь что они зависают.

Убедитесь что они зависают на попытке взять вторую синхронизацию - для этого достаточно запуститься под отладчиком, подождать достаточно времени (в т.ч. убедившись что в диспетчере задач нагрузка на процессор упала до почти нуля) и нажать на паузу, а затем исследовать что делает (на какой строчке остановился) каждый из двух потоков.