Thread Synchronisation in JAVA

1
Thread Synchronisationin JAVA

• 0055060, Angelika Brückl

2
Überblick - Interne Architektur der JVM
3
Thread Synchronisation und Monitore (1)

• Monitor
• Objekt, das einen Thread blockieren und von der
  Verfügbarkeit einer Ressource benachrichtigen
  kann
• Gebäude mit drei Räumen
• Eingangshalle Thread erreicht Anfang des
  gegenseitigen Ausschlusses
• Behandlungsraum gegenseitiger Ausschluss wird
  behandelt
• Warteraum Wartepause bei Kooperation
• Eingangshalle Behandlungsraum
  Warteraum

4
Thread-Synchronisation und Monitore (2)

• Gegenseitiger Ausschluss (mutual exclusion)
• Mehrere Threads arbeiten exklusiv mit gemeinsamen
  Daten
• Unterstützt mittels Object Locks
• Kooperation
• Mehrere Threads arbeiten in Kooperation zusammen
• Unterstützt mittels wait und notify Methoden der
  Klasse object

1. Enter the entry set -gt Gebäude über
Eingangshalle betreten 2. Acquire the
monitor -gt Behandlungsraum betreten u.
benützen 3. Release the monitor and enter the
wait set -gt Warteraum aufsuchen 4. Acquire
again a monitor -gt Behandlungsraum wieder
benutzen 5. Release and exit the monitor -gt
Gebäude verlassen
5
Thread-Synchronisation und Monitore (3)

• Critical Regions (kritische Abschnitte)
• Auszuführender Code hat automare Operation
• Kein anderer Thread darf den gleichen Monitor
  zwischenzeitlich benutzen
• Operation soll entweder ganz oder gar nicht
  ausgeführt werden
• Nur die Operationen 1) Enter the entry set und 5)
  release and exit the monitor sind ausführbar
• Operation 2) Acquire the monitor nur nach
  Operation 5) Realease and exit the monitor
• Thread Scheduling
• Java verwendet fixen Priority-Scheduling-Algorithm
  us
• Thread mit höherer Priorität wird zuerst
  ausgeführt
• Theads mit gleicher Priorität werden mit
  Round-Robin-Verfahren gescheduled (OS muss
  time-slicing unterstützen)

6
Thread-Synchronisation und Monitore (4)

• Mit dem Schlüsselwort synchronized werden in Java
  Monitore gekennzeichnet
• Bytecode
• monitorenter (Beginn synchronisierter Code-Block)
• Anfordern der objectref
• Durchführung Operation 1) Enter the entry set
• Durchführung Operation 2) Acquire the monitor,
  falls kein
• Thread Owner dieses Monitors ist monitorzähler
  monitorzähler 1
• Sonst Einordnung in Entry Set
• monitorexit (Ende synchronisierter Code-Block)
• Freigeben der objektref
• monitorzähler monitorzähler -1
• Durchführung Operation 5) Release and exit the
  monitor, falls
• monitorzähler zu Null wird
• Sonst Durchführung des Operationen 2) Acquire the
  monitor oder 4) Acquire again the monitor
  abhängig von den notify-Bedingungen

7
Interaktion JVM und Speicher (1) - Definitionen

• Hauptspeicher gemeinsam genutzt von allen Threads
  zur Speicherung von Variablen (Klassenvariab
  len, Instanzenvariablen, Komponenten in
  Arrays)
• Arbeitsspeicher jeder Thread hat eine
  Arbeitskopie seiner Variablen
  (Hauptspeicher hat die Master-Kopie)
• Lock (Schloss) jedes Objekt hat sein eigenes
  Schloss Threads konkurrieren um den Erwerb von
  Locks

8
Interaktion JVM und Speicher (2) - Definitionen

• Aktionen eines Threads
• use überträgt den Inhalt der Arbeitskopie
  einer Variablen des Threads an die
  Execution Engine des Threads
• assign überträgt den Wert der Execution Engine
• des Threads in die Arbeitskopie des Threads
• load überträgt einen Wert vom Hauptspeicher
  (Master-Kopie) durch eine vorgängige read
  Aktion in die Arbeitskopie des Threads
• store überträgt den Inhalt der Arbeitskopie des
  Threads zum Hauptspeicher für eine spätere
  write Aktion

9
Interaktion JVM und Speicher (3) - Definitionen

• Aktionen eines Threads (Fortsetzung)
• lock Thread beansprucht ein bestimmtes Schloss
  (Beginn - Synchronisation zwischen Thread und
  Hauptspeicher)
• unlock Thread gibt ein bestimmtes Schloss frei
  (Ende - Synchronistion zwischen Thread und
  Hauptspeicher)
• Aktionen des Hauptspeichers read, write
• read überträgt Inhalt der Master-Kopie einer
  Variablen in die Arbeitskopie des Threads für
  eine spätere load Aktion
• write überträgt einen Wert vom Arbeitsspeicher
  des Threads vermittels einer store Aktion in
  die Master-Kopie einer Variablen im
  Hauptspeicher

10
Interaktion JVM und Speicher (4) - Regeln

• Alle Aktionen sind atomar
• Thread-Aktionen use, assign, load, store, lock,
  unlock
• Speicher-Aktionen read, write, lock, unlock
• Alle Aktionen
• irgendeines Threads
• eines Speichers für irgendeine Variable
• eines Speichers für irgendeinen Lock
• sind total geordnet
• Threads kommunizieren nicht direkt miteinander,
  sondern über den gemeinsamen Speicher
• lock oder unlock gemeinsam ausgeführt von
  Thread und Hauptspeicher
• nach load (Thread) folgt immer read
  (Hauptspeicher)
• nach write (Hauptspeicher) folgt immer store
  (Thread)
• Alle Beziehungen sind transitiv

11
Beispiel 1.1 Elementares Tauschen

• Klasse mit den Klassen-Variablen a und b und den
  Methoden hier und da

class Beispiel int a 1, b 2 void hier
() a b void da () b a

write a -gt read a, read b -gt write b(ha hb
da db ma mb 2) read a -gt write a, write b
-gtread b(ha hb da db ma mb 1) read a
-gt write a, read b -gt write b(dann ha hb ma
2, da db mb 1)
ha, hb Arbeitskopien hier da, db Arbeitskopien
da Masterkopien in Hauptspeicher ma 1 und mb 2
12
Beispiel 1.2 Synchronisiertes Swap

• Klasse mit den Klassen-Variablen a und b und den
  Methoden hier und da

class SynBeispiel int a 1, b 2
synchronized void hier () a b
synchronized void da () b a
ha, hb Arbeitskopien hier ha, hb Arbeitskopien
da Masterkopien im Hauptspeicherma 1 und mb
2
write a -gt read a, read b -gt write b(ha ha
da db ma mb 2) read a -gt write a, write b
-gt read b(ha hb da db ma mb 1)
13
Beispiel 2.1 Ungeordnetes Schreiben

• Klasse mit den Klassen-Variablen a und b und den
  Methoden nach und von (die Methode liest beide
  Variablen und die andere schreibt beide Variablen)

class Beispiel int a 1, b 2 void
nach() a 3 b 4 void von()
System.out.println(a a , b b)

• Ein Thread ruft nach und der andere Thread ruft
  von auf
• nach Thread assign für a assign für b
• Weil keine Synchronisation implementierungsabhä
  ngig, ob store nach Hauptspeicher (d.h. a 1
  oder 3 und b 2 oder 4)
• Mögliche Ausgaben von Thread a1, b2 a1,
  b4 a3, b4 a3, b2

14
Beispiel 2.2 Ungeordnetes Schreiben
(Fortsetzung)

• Methode nach ist synchronisiert, aber Methode von
  ist nicht synchronisiert

class Beispiel int a 1, b 2
synchronized void nach() a 3 b 4
void von() System.out.println(a a
, b b)

• Ein Thread ruft nach und der andere Thread ruft
  von auf
• nach Thread wird forciert store nach
  Hauptspeicher vor unlock am Ende auszuführen
• to Thread wird use a und use b in dieser
  Reihenfolge ausführen und daher load a und load
  b vom Hauptspeicher laden

15
Beispiel 2.2 (Fortsetzung)

• Methode nach ist synchronisiert von ist nicht
  synchronisiert

• Methode von kann wie bisher a1 oder 3 und b2
  oder 4 ausgeben
• Da Methoden von und nach über a und b
  kommunizieren, kann read zwischen lock und
  unlock erfolgen
• Wenn von und nach synchronisiert sind, dann
  gilt a1, b2 oder a3, b4