Рассмотрим следующий пример, в котором одна задача генерирует четные числа, а другие задачи эти числа потребляют. Единственной задачей задач-потребителей является проверка четности этих чисел.
Начнем с определения EvenChecker, задачи-потребителя, поскольку она будет использоваться во всех последующих примерах. Чтобы отделить EvenChecker от различных генераторов, с которыми мы будем экспериментировать, мы определим абстрактный классIntGenerator, содержащий минимум необходимых методов для EvenChecker: метод для получения следующего значения next() и методы отмены. Класс не реализует интерфейс Generator, потому что он должен выдавать int, а параметризация не поддерживает примитивные параметры.
//: concurrency/IntGenerator.java
public abstract class IntGenerator {
private volatile boolean canceled = false;
public abstract int next();
// Allow this to be canceled:
public void cancel() { canceled = true; }
public boolean isCanceled() { return canceled; }
}
IntGenerator содержит метод cancel(), изменяющий состояние флага canceled, и метод isCanceled(), проверяющий, был ли объект отменен. Поскольку флаг canceled относится к типу boolean, простые операции вроде присваивания и возврата значения выполняются атомарно, то есть без возможности прерывания, и вы не увидите поле в промежуточном состоянии между этими простыми операциями. Смысл ключевого слова volatile будет объяснен позже в этой главе.
Для тестирования IntGenerator можно воспользоваться следующим классом EvenChecker:
//: concurrency/EvenChecker.java
import java.util.concurrent.*;
public class EvenChecker implements Runnable {
private IntGenerator generator;
private final int id;
public EvenChecker(IntGenerator g, int ident) {
generator = g;
id = ident;
}
public void run() {
while(!generator.isCanceled()) {
int val = generator.next();
if(val % 2 != 0) {
System.out.println(val + " not even!");
generator.cancel(); // Отмена всех EvenChecker
}
}
}
// Тестирование произвольного типа IntGenerator:
public static void test(IntGenerator gp, int count) {
Как видно из run(), все задачи EvenChecker, зависящие от объекта IntGenerator, проверяют, не были ли они отменены. При таком подходе задачи, совместно использующие общий ресурс (IntGenerator), наблюдают за ресурсом, ожидая от него сигнала завершения. Тем самым устраняется так называемая «ситуация гонки», когда две и более задачи торопятся отреагировать на некоторое условие; это приводит к возникновению конфликтов или получению других некорректных результатов. Будьте внимательны, постарайтесь продумать все возможные сбои в системах с параллельным выполнением и защититься от них. Например, задача не может зависеть от другой задачи, потому что порядок завершения задач не гарантирован. Зависимость задач от объекта, не являющегося задачей, устраняет потенциальную «ситуацию гонки».
Метод test() настраивает и тестирует произвольный тип IntGenerator, запуская несколько задач EvenChecker с общим IntGenerator. Если IntGenerator приводит к сбою, test() сообщает о происходящем и возвращает управление. В противном случае его следует завершить вручную клавишами Ctrl+C.
Задачи EvenChecker постоянно читают и проверяют значения, полученные от IntGenerator. Если generator.isCanceled() равен true, run() возвращает управление; это сообщает Executor в EvenChecker.test() о том, что задача завершена. Любая задача EvenChecker может вызвать cancel() для связанного с ней IntGenerator, в результате чего все остальные EvenChecker, использующие IntGenerator, будут корректно завершены. Как будет показано далее в этой главе, в Java существуют и более общие механизмы завершения потоков.
В первом варианте IntGenerator, который мы рассмотрим, next() выдает серию четных значений:
//: concurrency/EvenGenerator.java
// Конфликт потоков.
public class EvenGenerator extends IntGenerator {
private int currentEvenValue = 0;
public int next() {
++currentEvenValue; // Опасная точка!
++currentEvenValue;
return currentEvenValue;
}
public static void main(String[] args) {
EvenChecker.test(new EvenGenerator());
}
}
<spoiler text="Output:"> Нажмите Control-С, чтобы завершить программу
89476993 not even!
89476993 not even!
</spoiler> Одна задача может вызвать next() после того, как другая задача выполнит первый инкремент currentEvenValue, но до второго инкремента (в позиции, помеченной комментарием «Опасная точка!»). При этом значение оказывается в «некорректном» состоянии. Чтобы доказать, что такое возможно, EvenChecker. test() создает группу объектов EvenChecker, которые непрерывно читают результаты EvenGenerator и проверяют их на четность. При обнаружении нечетного числа выводится сообщение об ошибке, и программа завершается.
Сбой рано или поздно произойдет, потому что задачи EvenChecker могут обратиться к информации EvenGenerator в «некорректном» состоянии. Впрочем, проблема может проявиться лишь после многих циклов отработки EvenGenerator; все зависит от особенностей операционной системы и других подробностей реализации. Чтобы ускорить наступление сбоя, попробуйте разместить вызов yield() между инкрементами. В этом и состоит одна из проблем многопоточного программирования: программа, содержащая ошибку, на первый взгляд работает вполне нормально — а все потому, что вероятность сбоя очень мала.
Также стоит учитывать, что сама операция инкремента состоит из нескольких шагов и может быть прервана планировщиком потоков в ходе выполнения — другими словами, инкремент в Java не является атомарной операцией. Даже простое приращение переменной может оказаться небезопасным, если не организовать защиту задачи.
