Teoria współbieżności

Laboratorium 2

Wyścig - wyjaśnienie

  1. Licznik
  2. Metoda inkrementacji w Bytecode 
    public void inc();
  Code:
   0:   aload_0
   1:   dup
   2:   getfield        #2; //Field i:I
   5:   iconst_1
   6:   iadd
   7:   putfield        #2; //Field i:I
   10:  return
}
    • 0: załadowanie na stos argumentu o indeksie 0 (niejawny argument this)
    • 2: wartość pola o referencji #2 jest pobierana i umieszczana na stosie
    • 5: umieszcza stałą całkowita '1' na stosie
    • 6: dodaje do siebie dwa górne elementy stosu (muszą być typu integer, są zdejmowane ze stosu) i umieszcza na nim wynik dodawania

Monitory w javie

  1. Związane z każdym obiektem
  2. Same nie są reprezentowane jako klasy / obiekty!
  3. Synchronizują dostęp do metod i bloków synchronized
  4. Dodatkowy monitor związany z klasą - dla metod statycznych synchronizowanych

Synchronizacja

  1. Metody synchronized
  2. Blok synchronized
    • użyteczny do synchronizacji dostępu do już istniejących obiektów, do których nie można dodać żadnych metod 
    synchronized ( obj ) {
    ...
  obj.method();
    ...
}
  3. Zasady synchronizacji
    • Wejście do metody synchronizowanej (bloku synchronizowanego) powoduje zajęcie monitora (którego?), opuszczenie jej - zwolnienie monitora
    • Metoda synchronizowana (blok synchronizowany) może być wykonywana na rzecz danego obiektu tylko przez wątek będący w posiadaniu monitora tego obiektu
    • Tylko jeden wątek może być w posiadaniu monitora danego obiektu, a po jego zajęciu tylko on sam może go zwolnić

Metody wait, notify / notifyAll

  1. Zdefiniowane w klasie Object
  2. Koordynacja działania wielu wątków
  3. wait
    • może być wywołana tylko przez wątek będący w posiadaniu monitora
    • powoduje uśpienie wątku w kolejce związanej z monitorem (którym?)
    • zwalnia monitor
    • wątek może być obudzony tylko gdy inny wątek wywoła notify (jaki to musi być wątek?)
  4. notify
    • budzi jeden wątek spośród oczekujących w kolejce 'wait' (której kolejce?)
    • obudzony wątek oczekuje aż wątek wywołujący notify zwolni monitor
    • notifyAll działa jak notify, ale budzi wszystkie wątki

Krytyka "Monitorów" Javy

  1. Brinch Hansen - pionier programowania współbieżnego (koncepcja Monitora, Concurrent Pascal): Java ożywia koncepcje sprzed ćwierć wieku i robi to źle.
  2. Hoare - pojęcie bezpieczeństwa (security) języka (z punktu widzenia współbieżności / równoległości): język powinien umożliwić kompilatorowi i środowisku uruchomieniowemu wykrywanie jak największej ilości przypadków, w których koncepcje języka się załamują i produkują bezsensowne wyniki. Dla języka programowania równoległego najważniejszą miarą bezpieczeństwa jest sprawdzenie, czy procesy operują na rozłącznych zbiorach zmiennych i że nie kolidują ze sobą w sensie zależności czasowych (np. rezultat zależy od relatywnej kolejności wykonania instrukcji przez dwa procesy).
  3. Np. kompilator Concurrent Pascala sprawdza, czy każdy proces i monitor odwołuje się tylko do swoich zmiennych, że procesy komunikują się wyłącznie przez procedury monitora, i że procesy nie zablokują się poprzez rekursywne wywołanie procedury monitora.
  4. Z kolei interpreter Concurrent Pascala zapewnia wzajemne wykluczanie wszystkich operacji na zmiennych jakiegokolwiek procesu lub monitora. Uniemożliwia nawet jednoczesny dostęp do zmiennej przez proces i urządzenie peryferyjne.
  5. Brinch Hansen twierdzi, że tak naprawdę Java nie wspiera koncepcji monitorów, gdyż:
    • Metody javy są domyślnie niesynchronizowane, chyba że są zadeklarowane jako synchronized.
    • Zmienne klasy są publiczne (w obrębie pakietu), jeśli nie są zadeklarowane jako private.
  6. To nie uniemożliwia całkowicie pisania poprawnych programów równoległych, ale uniemożliwia wykrywanie wielu błędów zależnych od czasu (time-dependant) na poziomie kompilacji i uruchomienia.
  7. Błąd Javy: decyzja, żeby używać sekwencyjnej części języka do implementacji wsparcia dla równoległości. Java nie jest językiem "bezpiecznym".

Definicja operacji na semaforze

  • Opuszczenie, s.P(): Jeśli S==1 to S=0, w przeciwnym wypadku wstrzymaj działanie procesu wykonującego tę operację.
  • Podniesienie, s.V(): Jeśli są procesy wstrzymane w wyniku opuszczania semafora S, to wznów jeden z nich, w przeciwnym razie S=1.

Ćwiczenie

Informacja na zajęciach. Do pobrania: klasa Semafor, Producer, Consumer, Start.

Bibliografia

  1. Per Brinch Hansen: Java Insecure Parallelism. ACM SIGPLAN Notices, April 1999, s. 38-45.
  2. Thomas W. Christopher, George K. Thiruvathukal: High-Performance Java Platform Computing, Prentice Hall, Luty 2001. Wybrane rozdziały.

Bartosz Baliś, balis at agh.edu.pl