ما هو Java Semaphore و Mutex - وأوضح Java Concurrency MultiThread مع المثال

نشرت: 2015-03-12

Java Mutex and Semaphore Tutorial by Crunchify

يعد التزامن جافا موضوعًا واسعًا جدًا. هناك المئات من البرامج التعليمية والأمثلة المتاحة للاستخدام. في بعض الوقت ، كتبت بعض البرامج التعليمية حول تشغيل خيوط متعددة بشكل متزامن في Java وأنواع مختلفة من الكتل المتزامنة.

في هذا البرنامج التعليمي سوف ننتقل إلى ما يلي:

  1. شرح موتكس
  2. شرح السيمافور
  3. مثالان مع التفاصيل

هيا بنا نبدأ

Let's keep this in mind أثناء قراءة الشرح أدناه:

  • خذ مثالا على المتسوق والعميل
  • المتسوق يستعير أجهزة الكمبيوتر المحمولة
  • يمكن للعميل القدوم واستخدام الكمبيوتر المحمول - يحتاج العميل إلى مفتاح لاستخدام الكمبيوتر المحمول
  • بعد الاستخدام - يمكن للعميل إعادة الكمبيوتر المحمول إلى Shopper

ما هو موتكس (خيط واحد فقط):

المتسوق لديه مفتاح لجهاز كمبيوتر محمول. يمكن لعميل واحد الحصول على المفتاح - استعارة كمبيوتر محمول - في ذلك الوقت. عند انتهاء المهمة ، يعطي المتسوق (يحرر) المفتاح للعميل التالي في قائمة الانتظار.

Official Definition :

"يستخدم كائن المزامنة عادةً في إجراء تسلسل للوصول إلى قسم من re-entrant code الذي cannot be executed concurrently بأكثر من مؤشر ترابط واحد. يسمح كائن كائن المزامنة (mutex) بخيط واحد فقط في قسم متحكم فيه ، مما يجبر الخيوط الأخرى التي تحاول الوصول إلى هذا القسم على الانتظار حتى خروج سلسلة الرسائل الأولى من هذا القسم. "

بمعنى آخر: Mutex = Mutually Exclusive Semaphore

ما هو سيمافور (ن المواضيع المحددة):

لنفترض الآن أن لدى Shopper 3 أجهزة كمبيوتر محمولة متطابقة و 3 مفاتيح متطابقة. Semaphore هو عدد free identical Laptop keys . تم تعيين عدد الإشارات - عدد المفاتيح - على 3 في البداية (جميع أجهزة الكمبيوتر المحمولة الثلاثة مجانية) ، ثم تنخفض قيمة العد عندما يأتي العميل. إذا كانت جميع أجهزة الكمبيوتر المحمولة قيد الاستخدام ، أي لا توجد مفاتيح مجانية متبقية لـ الكمبيوتر المحمول ، عدد الإشارات هو 0. الآن ، عندما يقوم أي عميل بإرجاع الكمبيوتر المحمول ، يتم زيادة الإشارة إلى 1 (مفتاح مجاني واحد) ، ويتم إعطاؤها للعميل التالي في قائمة الانتظار.

Official Definition : "الإشارة تقيد عدد المستخدمين المتزامنين لمورد مشترك بحد أقصى. يمكن أن تطلب الخيوط الوصول إلى المورد (تقليل الإشارة) ، ويمكن أن تشير إلى أنها انتهيت من استخدام المورد (بزيادة الإشارة). "

يجب قراءة آخر: Lazy Creation of Singleton ThreadSafe Instance

مثال 1: (الشرح أدناه)

CrunchifySemaphoreMutexTutorial.java
Java
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
package crunchify . com . tutorial ;
 
import java . util . LinkedList ;
import java . util . concurrent . Semaphore ;
 
/**
* @author Crunchify.com
*
*/
 
public class CrunchifySemaphoreMutexTutorial {
     static Object crunchifyLock = new Object ( ) ;
     static LinkedList <String> crunchifyList = new LinkedList <String> ( ) ;
    
     // Semaphore maintains a set of permits.
     // Each acquire blocks if necessary until a permit is available, and then takes it.
     // Each release adds a permit, potentially releasing a blocking acquirer.
     static Semaphore semaphore = new Semaphore ( 0 ) ;
     static Semaphore mutex = new Semaphore ( 1 ) ;
    
     // I'll producing new Integer every time
     static class CrunchifyProducer extends Thread {
         public void run ( ) {
            
             int counter = 1 ;
             try {
                 while ( true ) {
                     String threadName = Thread . currentThread ( ) . getName ( ) + counter ++ ;
                    
                     mutex . acquire ( ) ;
                     crunchifyList . add ( threadName ) ;
                     System . out . println ( "Producer is prdoucing new value: " + threadName ) ;
                     mutex . release ( ) ;
                    
                     // release lock
                     semaphore . release ( ) ;
                     Thread . sleep ( 500 ) ;
                 }
             } catch ( Exception x ) {
                 x . printStackTrace ( ) ;
             }
         }
     }
    
     // I'll be consuming Integer every stime
     static class CrunchifyConsumer extends Thread {
         String consumerName ;
        
         public CrunchifyConsumer ( String name ) {
             this . consumerName = name ;
         }
        
         public void run ( ) {
             try {
                
                 while ( true ) {
                    
                     // acquire lock. Acquires the given number of permits from this semaphore, blocking until all are
                     // available
                     // process stops here until producer releases the lock
                     semaphore . acquire ( ) ;
                    
                     // Acquires a permit from this semaphore, blocking until one is available
                     mutex . acquire ( ) ;
                     String result = "" ;
                     for ( String value : crunchifyList ) {
                         result = value + "," ;
                     }
                     System . out . println ( consumerName + " consumes value: " + result + "crunchifyList.size(): "
                            + crunchifyList . size ( ) + "\n" ) ;
                     mutex . release ( ) ;
                 }
             } catch ( Exception e ) {
                 e . printStackTrace ( ) ;
             }
         }
     }
    
     public static void main ( String [ ] args ) {
         new CrunchifyProducer ( ) . start ( ) ;
         new CrunchifyConsumer ( "Crunchify" ) . start ( ) ;
         new CrunchifyConsumer ( "Google" ) . start ( ) ;
         new CrunchifyConsumer ( "Yahoo" ) . start ( ) ;
     }
}

في البرنامج التعليمي أعلاه CrunchifySemaphoreMutexTutorial.java عندما يضيف CrunchifyProducer threadName إلى كائن crunchifyList المرتبط ، فإنه يمكن أن يشير إلى الإشارة.

يمكن بعد ذلك أن يحاول CrunchifyConsumer الحصول على الإشارة لذلك سينتظرون حتى يقوم CrunchifyProducer بالإشارة إلى إضافة threadID. عند الإشارة إلى بيانات مضافة ، سيتم إيقاظ أحد المستهلكين وسيعرف أنه يمكنه قراءة كائن crunchifyList. يمكنه قراءة قائمة ، ثم العودة إلى محاولة الحصول على الإشارة.

إذا كتب المنتج في ذلك الوقت حزمة أخرى ، فقد أشار مرة أخرى وسيقوم أي من المستهلكين بعد ذلك بقراءة حزمة أخرى وما إلى ذلك ...

بعبارات أخرى:

1
2
3
CrunchifyProducer : Add an object o List - Semaphore . release ( 1 )
 
CrunchifyConsumer x N ) - Semaphore . acquire ( 1 ) - Read an object from List

نتيجة:

Result
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Producer is prdoucing new value : Thread - 01
Crunchify consumes value : Thread - 01 , crunchifyList . size ( ) : 1
 
Producer is prdoucing new value : Thread - 02
Google consumes value : Thread - 02 , crunchifyList . size ( ) : 2
 
Producer is prdoucing new value : Thread - 03
Yahoo consumes value : Thread - 03 , crunchifyList . size ( ) : 3
 
Producer is prdoucing new value : Thread - 04
Crunchify consumes value : Thread - 04 , crunchifyList . size ( ) : 4
 
. . . . .
. . . . .
. . . . .

كيفية منع حالة السباق:

What if you have multiple Consumers? في شرح Java التعليمي أعلاه ، يجب على المستهلكين (وليس المنتجين) قفل المخزن المؤقت عند قراءة الحزمة (ولكن ليس عند الحصول على الإشارة) لمنع ظروف السباق. في المثال أدناه ، يقوم المنتج أيضًا بتأمين القائمة نظرًا لأن كل شيء موجود على نفس JVM.

المثال 2:

CrunchifyJavaSemaphoreTutorial.java
Java
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
package crunchify . com . tutorial ;
 
import java . util . concurrent . Semaphore ;
 
/**
* @author Crunchify.com
*
*/
 
public class CrunchifyJavaSemaphoreTutorial {
     private static final int MAX_CONCURRENT_THREADS = 2 ;
     private final Semaphore crunchifyAdminLOCK = new Semaphore ( MAX_CONCURRENT_THREADS , true ) ;
    
     public void crunchifyStartTest ( ) {
         for ( int i = 0 ; i < 10 ; i ++ ) {
             CrunchifyPerson person = new CrunchifyPerson ( ) ;
             person . start ( ) ;
         }
     }
    
     public class CrunchifyPerson extends Thread {
         @Override
         public void run ( ) {
             try {
                
                 // Acquire Lock
                 crunchifyAdminLOCK . acquire ( ) ;
             } catch ( InterruptedException e ) {
                 System . out . println ( "received InterruptedException" ) ;
                 return ;
             }
             System . out . println ( "Thread " + this . getId ( ) + " start using Crunchify's car - Acquire()" ) ;
             try {
                 sleep ( 1000 ) ;
             } catch ( Exception e ) {
                
             } finally {
                
                 // Release Lock
                 crunchifyAdminLOCK . release ( ) ;
             }
             System . out . println ( "Thread " + this . getId ( ) + " stops using Crunchify's car -  Release()\n" ) ;
         }
     }
    
     public static void main ( String [ ] args ) {
         CrunchifyJavaSemaphoreTutorial test = new CrunchifyJavaSemaphoreTutorial ( ) ;
         test . crunchifyStartTest ( ) ;
        
     }
}

نتيجة:

Result
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
Thread 11 start using Crunchify 's car - Acquire()
Thread 10 start using Crunchify' s car - Acquire ( )
Thread 10 stops using Crunchify 's car -  Release()
 
Thread 12 start using Crunchify' s car - Acquire ( )
Thread 13 start using Crunchify 's car - Acquire()
Thread 11 stops using Crunchify' s car -   Release ( )
 
Thread 13 stops using Crunchify 's car -  Release()
 
Thread 15 start using Crunchify' s car - Acquire ( )
Thread 14 start using Crunchify 's car - Acquire()
Thread 12 stops using Crunchify' s car -   Release ( )
 
Thread 14 stops using Crunchify 's car -  Release()
 
Thread 16 start using Crunchify' s car - Acquire ( )
Thread 15 stops using Crunchify 's car -  Release()
 
Thread 17 start using Crunchify' s car - Acquire ( )
Thread 17 stops using Crunchify 's car -  Release()
 
Thread 18 start using Crunchify' s car - Acquire ( )
Thread 19 start using Crunchify 's car - Acquire()
Thread 16 stops using Crunchify' s car -   Release ( )
 
Thread 18 stops using Crunchify 's car -  Release()
 
Thread 19 stops using Crunchify' s car -   Release ( )