Thread Synchronisation in JAVA - PowerPoint PPT Presentation

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Thread Synchronisation in JAVA

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Thread Synchronisation in JAVA 0055060, Angelika Br ckl berblick - Interne Architektur der JVM Thread Synchronisation und Monitore (1) Monitor Objekt, das einen ... – PowerPoint PPT presentation

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Title: 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

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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
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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)
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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

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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

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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
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