Java Concurrency / Multithreading - RAJEEV SINGH

Yazının orjinaline buradan ulaşabilirsiniz. 

Eşzamanlılık, aynı anda birden fazla şeyi yapabilme yeteneğidir.

İlk zamanlarda, bilgisayarlar aynı anda yalnızca bir programı çalıştırabiliyordu. Ancak şimdi, modern bilgisayarlar aynı anda birçok görevi yerine getirebiliyor. Örneğin -

Bloguma bir web tarayıcısında göz atabilir ve aynı zamanda bir medya oynatıcıda müzik dinleyebilirsiniz.


Bir kelime işlemcide bir belgeyi düzenleyebilirsiniz, diğer uygulamalar aynı anda internetten dosya indirebilir.

Eşzamanlılık mutlaka birden fazla uygulamayı içermez. Tek bir uygulamanın birden çok parçasını aynı anda çalıştırmak, eşzamanlılık olarak da adlandırılır. Örneğin -

Bir kelime işlemci metni biçimlendirir ve aynı zamanda klavye olaylarına yanıt verir .


Bir ses akışı uygulaması, sesi ağdan okur, sıkıştırır ve aynı anda ekranı günceller .


Esasen bilgisayarda çalışan bir program olan web sunucusu, aynı anda dünyanın her yerinden gelen binlerce isteğe hizmet eder .

Aynı anda birden fazla iş yapabilen yazılımlara eş zamanlı yazılım denir.

Bilgisayarımın aşağıdaki ekran görüntüsü bir eşzamanlılık örneğini göstermektedir. Bilgisayar sistemim aynı anda birden fazla şey yapıyor - Bir medya oynatıcıda video çalıştırıyor, bir terminalde klavye girişini kabul ediyor ve IntelliJ Idea'da bir proje oluşturuyor.

Eşzamanlılık: Kaputun Altında

Tamam! Bilgisayarların aynı anda birden çok görevi çalıştırabildiğini anlıyorum, ancak bunu nasıl yapıyorlar?

Günümüzde bilgisayarların birden fazla işlemciyle geldiğini biliyorum, ancak tek işlemcili bir sistemde de eşzamanlılık mümkün değil mi? Ayrıca bilgisayarlar, mevcut işlemci sayısından çok daha fazla görevi yerine getirebilir.

Tek bir CPU'da bile birden fazla görev aynı anda nasıl yürütülebilir?

Peki! Görünen o ki, aslında aynı fiziksel anda yürütülmüyorlar. Eşzamanlılık paralel yürütme anlamına gelmez.

“Aynı anda birden fazla görev yürütülüyor” dediğimizde, aslında “birden çok görev aynı zaman diliminde ilerleme kaydediyor” demek istiyoruz.

Görevler aralıklı olarak yürütülür. İşletim sistemi, görevler arasında o kadar sık ​​geçiş yapar ki, kullanıcılara aynı fiziksel anda yürütülüyormuş gibi görünür.



Bu nedenle, Eşzamanlılık Paralellik anlamına gelmez . Aslında, tek işlemcili bir sistemde Paralellik mümkün değildir.

Eşzamanlılık Birimi

Eşzamanlılık çok geniş bir terimdir ve çeşitli düzeylerde kullanılabilir. Örneğin -

Çoklu İşleme(Multiprocessing) - Aynı anda çalışan Çoklu İşlemciler/CPU'lar. Buradaki eşzamanlılık birimi bir CPU'dur.


Çoklu görev(Multitasking) - Tek bir CPU üzerinde aynı anda çalışan birden fazla görev/işlem. İşletim sistemi bu görevleri aralarında çok sık geçiş yaparak yürütür. Bu durumda eşzamanlılık birimi bir Süreçtir.


Çoklu iş parçacığı(Multithreading) - Aynı programın birden çok parçasının aynı anda çalışması. Bu durumda bir adım daha ileri giderek aynı programı birden çok parçaya/iş parçacığına bölüp bu evreleri aynı anda çalıştırıyoruz.

Processes ve Threadler

Şimdi iki temel eşzamanlılık biriminden bahsedelim: İşlemler ve İş Parçacıkları.

İşlem

İşlem, yürütülmekte olan bir programdır. Kendi adres alanı, bir çağrı yığını ve açık dosyalar gibi herhangi bir kaynağa bağlantısı vardır.

Bir bilgisayar sistemi normalde aynı anda çalışan birden çok işleme sahiptir. İşletim sistemi tüm bu işlemlerin kaydını tutar ve CPU'nun işlem süresini aralarında paylaşarak yürütülmesini kolaylaştırır.

Thread

Bir iş parçacığı, bir işlem içindeki bir yürütme yoludur. Her işlemin ana iş parçacığı adı verilen en az bir iş parçacığı vardır. Ana iş parçacığı, işlem içinde ek iş parçacıkları oluşturabilir.

Bir işlem içindeki iş parçacıkları, bellek ve açık dosyalar dahil olmak üzere işlemin kaynaklarını paylaşır. Ancak, her iş parçacığının kendi çağrı yığını vardır.

İş parçacıkları işlemin aynı adres alanını paylaştığından, yeni iş parçacıkları oluşturmak ve aralarında iletişim kurmak daha verimlidir.

Eşzamanlılıkla İlgili Sık Karşılaşılan Sorunlar

Eşzamanlılık, CPU kullanımını artırarak bilgisayarların verimini büyük ölçüde artırır. Ancak harika performansla birlikte birkaç sorun ortaya çıkıyor -

İş parçacığı girişim hataları (Yarış Koşulları) (Race Conditions) : Birden çok iş parçacığı aynı anda paylaşılan bir değişkeni okuyup yazmaya çalıştığında ve bu okuma ve yazma işlemleri yürütme sırasında çakıştığında iş parçacığı girişim hataları oluşur.

• Bu durumda, nihai sonuç, tahmin edilemez olan okuma ve yazma işlemlerinin gerçekleştiği sıraya bağlıdır. Bu, thread girişim hatalarının tespit edilmesini ve düzeltilmesini zorlaştırır.
  
  Bir seferde yalnızca bir iş parçacığının paylaşılan bir kaynağa erişmesini sağlayarak iş parçacığı girişim hatalarından kaçınılabilir. Bu genellikle herhangi bir paylaşılan kaynağa erişmeden önce birbirini dışlayan bir kilit alarak yapılır.
  
  Herhangi bir paylaşılan kaynağa erişmeden önce bir kilit edinme kavramı, **kilitlenme** ve **açlık** gibi başka sorunlara yol açabilir. Bu sorunları ve çözümlerini gelecek eğitimlerde öğreneceğiz.

Bellek tutarlılığı hataları (Memory consistency errors) : Farklı iş parçacıkları aynı verilerin tutarsız görünümlerine sahip olduğunda bellek tutarlılığı hataları oluşur. Bu, bir iş parçacığı bazı paylaşılan verileri güncellediğinde olur, ancak bu güncelleme diğer iş parçacıklarına yayılmaz ve eski verileri kullanırlar.

Java Thread and Runnable

Java'da yeni threadlerin nasıl oluşturulacağını ve bu konuların içinde görevlerin nasıl çalıştırılacağını öğreneceğiz.

Bir Thread Yaratmak ve Başlatmak

Java'da thread oluşturmanın iki yolu vardır.

1.Thread Class'ından Extend Ederek

Sınıfınızı Thread'den genişleterek ve onun run() yöntemini geçersiz kılarak yeni bir iş parçacığı oluşturabilirsiniz.

run() yöntemi, yeni iş parçacığının içinde yürütülen kodu içerir. Bir iş parçacığı oluşturulduktan sonra, start() yöntemini çağırarak başlatabilirsiniz.

public class ThreadExample extends Thread {

    // run() method contains the code that is executed by the thread.
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Inside : " + Thread.currentThread().getName());
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Inside : " + Thread.currentThread().getName());

        System.out.println("Creating thread...");
        Thread thread = new ThreadExample();

        System.out.println("Starting thread...");
        thread.start();
    }
}

# Output
Inside : main
Creating thread...
Starting thread...
Inside : Thread-0

Thread.currentThread(), o anda yürütülmekte olan iş parçacığına bir başvuru döndürür. Yukarıdaki örnekte, mevcut iş parçacığının adını yazdırmak için iş parçacığının getName() yöntemini kullandım.

Her thread'in bir adı vardır. Thread(String name) yapıcısını kullanarak özel bir adla bir iş parçacığı oluşturabilirsiniz. Herhangi bir ad belirtilmezse, iş parçacığı için otomatik olarak yeni bir ad seçilir.

2-Runnable bir Nesne Yaratarak

Runnable arabirim, bir iş parçacığı tarafından yürütülmesi amaçlanan herhangi bir nesne için birincil şablondur. İş parçacığı tarafından yürütülen kodu içermesi amaçlanan tek bir run() yöntemini tanımlar.

Örneğinin bir iş parçacığı tarafından yürütülmesi gereken herhangi bir sınıf, Runnable arabirimini uygulamalıdır.

Thread sınıfı, Runnable'ı run() yönteminin boş bir uygulamasıyla uygular.

Yeni bir iş parçacığı oluşturmak için, Runnable arabirimini uygulayan sınıfın bir örneğini oluşturun ve ardından bu örneği Thread(Runnable target) yapıcısına iletin.

public class RunnableExample implements Runnable {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Inside : " + Thread.currentThread().getName());

        System.out.println("Creating Runnable...");
        Runnable runnable = new RunnableExample();

        System.out.println("Creating Thread...");
        Thread thread = new Thread(runnable);

        System.out.println("Starting Thread...");
        thread.start();
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Inside : " + Thread.currentThread().getName());
    }
}

# Output
Inside : main
Creating Runnable...
Creating Thread...
Starting Thread...
Inside : Thread-0

Runnable'ı uygulayan bir sınıf oluşturmak ve ardından çalıştırılabilir nesneyi almak için bu sınıfı başlatmak yerine, Java'nın anonim sınıf sözdizimini kullanarak anonim bir çalıştırılabilir nesne oluşturabileceğinizi unutmayın.

Anonim sınıflar, kodunuzu daha sade hale getirmenizi sağlar. Aynı anda bir sınıfı bildirmenizi ve başlatmanızı sağlarlar. - Java dokümanından.

public class RunnableExampleAnonymousClass {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Inside : " + Thread.currentThread().getName());

        System.out.println("Creating Runnable...");
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("Inside : " + Thread.currentThread().getName());
            }
        };

        System.out.println("Creating Thread...");
        Thread thread = new Thread(runnable);

        System.out.println("Starting Thread...");
        thread.start();
    }
}

Yukarıdaki örnek, Java 8'in lambda ifadesi kullanılarak daha da kısaltılabilir -

  
  public class RunnableExampleLambdaExpression {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Inside : " + Thread.currentThread().getName());

        System.out.println("Creating Runnable...");
        Runnable runnable = () -> {
            System.out.println("Inside : " + Thread.currentThread().getName());
        };

        System.out.println("Creating Thread...");
        Thread thread = new Thread(runnable);

        System.out.println("Starting Thread...");
        thread.start();

    }
}

Runnable veya Thread Hangisini Kullanmalı?

Thread sınıfından genişleterek bir iş parçacığı oluşturduğunuz ilk yöntem çok sınırlıdır çünkü sınıfınızı Thread'den bir kez genişlettiğinizde, Java çoklu kalıtıma izin vermediğinden başka bir sınıftan genişletemezsiniz.

Ayrıca, iyi tasarım uygulamasını izlerseniz, Kalıtım, üst sınıfın işlevselliğini genişletmek içindir, ancak bir iş parçacığı oluşturduğunuzda, Thread sınıfının işlevselliğini genişletmezsiniz, yalnızca run() yönteminin uygulanmasını sağlarsınız.

Bu nedenle, genel olarak, bir iş parçacığı oluşturmak için her zaman Runnable nesnesini kullanmalısınız. Bu yöntem daha esnektir. Sınıfınızın başka herhangi bir sınıftan genişlemesine izin verir. Ayrıca, kodunuzu daha özlü hale getirmek için Runnable ile anonim sınıf sözdizimini ve Java 8'in lambda ifadesini kullanabilirsiniz.

Bir Thread'in sleep() Methodu ile Çalışmasına Ara Vermek

Thread sınıfı tarafından sağlanan sleep() yöntemi, o anda yürütülmekte olan iş parçacığının yürütülmesini belirtilen milisaniye sayısı kadar duraklatmanıza olanak tanır.

  

    public class ThreadSleepExample {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Inside : " + Thread.currentThread().getName());

        String[] messages = {"If I can stop one heart from breaking,",
                "I shall not live in vain.",
                "If I can ease one life the aching,",
                "Or cool one pain,",
                "Or help one fainting robin",
                "Unto his nest again,",
                "I shall not live in vain"};

        Runnable runnable = () -> {
            System.out.println("Inside : " + Thread.currentThread().getName());

            for(String message: messages) {
                System.out.println(message);
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new IllegalStateException(e);
                }
            }
        };

        Thread thread = new Thread(runnable);

        thread.start();
    }
}
    

  

  # Output
Inside : main
Inside : Thread-0
If I can stop one heart from breaking,
I shall not live in vain.
If I can ease one life the aching,
Or cool one pain,
Or help one fainting robin
Unto his nest again,
I shall not live in vain
    

Yukarıdaki örnek, ileti dizisi üzerinde yinelenen, mevcut iletiyi yazdıran, Thread.sleep() öğesini çağırarak 2 saniye bekleyen ve ardından bir sonraki yinelemeye geçen bir for döngüsünden oluşur.

Herhangi bir iş parçacığı geçerli iş parçacığını keserse, sleep() yöntemi InterruptedException'ı atar. InterruptedException, kontrol edilen bir istisnadır ve ele alınması gerekir.

join() Kullanarak Diğer Thread'in Tamamlanmasını Beklemek

Join() yöntemi, bir iş parçacığının diğerinin tamamlanmasını beklemesine izin verir. Aşağıdaki örnekte, Thread 2, Thread.join(1000)'i çağırarak 1000 milisaniye boyunca Thread 1'in tamamlanmasını bekler ve ardından yürütmeyi başlatır -

  

      public class ThreadJoinExample {

    public static void main(String[] args) {
        // Create Thread 1
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            System.out.println("Entered Thread 1");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new IllegalStateException(e);
            }
            System.out.println("Exiting Thread 1");
        });

        // Create Thread 2
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            System.out.println("Entered Thread 2");
            try {
                Thread.sleep(4000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new IllegalStateException(e);
            }
            System.out.println("Exiting Thread 2");
        });

        System.out.println("Starting Thread 1");
        thread1.start();

        System.out.println("Waiting for Thread 1 to complete");
        try {
            thread1.join(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new IllegalStateException(e);
        }

        System.out.println("Waited enough! Starting Thread 2 now");
        thread2.start();
    }
}

                
Starting Thread 1
Waiting for Thread 1 to complete
Entered Thread 1
Waited enough! Starting Thread 2 now
Entered Thread 2
Exiting Thread 1
Exiting Thread 2

Thread.join() için bekleme süresi MIN (iş parçacığının sonlanması için geçen süre, yöntem bağımsız değişkeninde belirtilen milisaniye sayısı) değerine eşittir.

Join() yöntemi, argüman olmadan da çağrılabilir. Bu durumda, sadece iş parçacığı ölene kadar bekler.