У багатопотокових програмах часто виникає потреба контролювати доступ до ресурсів або синхронізувати виконання потоків. Semaphore та Barrier — це високорівневі механізми синхронізації, які допомагають вирішувати ці завдання.

Сьогодні розглянемо кожен із цих механізмів по черзі та зрозуміємо їх відмінності. Почнемо з Semaphore.

Semaphore у Java реалізовані за допомогою класу java.util.concurrent.Semaphore.

Конструктори

Semaphore(int permits): Конструктор, який створює semaphore з певною кількістю дозволів. Дозволи визначають кількість доступів до спільного ресурсу.

Main.java


              1
            
 Semaphore semaphore = new Semaphore(20);

Semaphore(int permits, boolean fair): Конструктор, що забезпечує вирішення за принципом перший прийшов — перший обслужений.

Main.java


              1
            
Semaphore semaphore = new Semaphore(20, true);

Якщо параметр fair встановлено у true, semaphore надає дозволи у порядку першим прийшов — першим отримав (FIFO), що допомагає уникнути голодування потоків. За замовчуванням — false.

Основні методи

Метод acquire() запитує один дозвіл. Якщо дозвіл доступний, він надається негайно; інакше потік блокується до появи дозволу. Після завершення завдання використовується метод release() для звільнення дозволу, повертаючи його до semaphore. Якщо інші потоки очікували на дозвіл, один із них буде розблоковано.

Уявіть собі паркінг з обмеженою кількістю місць. semaphore виконує роль контролера, відстежуючи доступні місця та забороняючи в’їзд, коли паркінг заповнений.

Main.java


              1234567891011121314151617181920212223242526272829303132
            
package com.example;

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class Main {
    private final Semaphore semaphore;

    public Main(int slots) {
        semaphore = new Semaphore(slots);
    }

    public void parkCar() {
        try {
            semaphore.acquire(); // Request a parking spot
            System.out.println("Car parked. Available slots: " + semaphore.availablePermits());
            Thread.sleep(2000); // Simulate parking time
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            semaphore.release(); // Release the parking spot
            System.out.println("Car left. Available slots: " + semaphore.availablePermits());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Main parking = new Main(3); // Parking lot with 3 spots

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(parking::parkCar).start();
        }
    }
}

Можна також дізнатися, скільки дозволів наразі доступно в Semaphore, використовуючи метод int availablePermits(). Можна також спробувати отримати дозвіл за допомогою методу boolean tryAcquire(), який повертає true, якщо дозвіл отримано, і false, якщо ні.

Main.java


              1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041
            
package com.example;

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class Main {
    // Define the maximum number of permits available
    private static final int MAX_PERMITS = 3;
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(MAX_PERMITS);

    public static void main(String[] args) {
        // Create and start 5 worker threads
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            new Thread(new Worker(), "Worker-" + i).start();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(name + " trying to acquire a permit...");

            // Try to acquire a permit
            if (semaphore.tryAcquire()) {
                try {
                    System.out.println(name + " acquired a permit! Available permits: " + semaphore.availablePermits());
                    Thread.sleep(1000); // Simulate work
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    // Release the permit after the work is done
                    semaphore.release();
                    System.out.println(name + " released a permit. Available permits: " + semaphore.availablePermits());
                }
            } else {
                // Inform if the permit could not be acquired
                System.out.println(name + " could not acquire a permit. Available permits: " + semaphore.availablePermits());
            }
        }
    }
}

Примітка

Іншими словами, Semaphore корисний, коли потрібно надати обмежений одночасний доступ до певного сегмента коду. Єдиний недолік — це можливість виникнення взаємного блокування (deadlock), якщо потоки блокуються у неправильному порядку.

Тепер перейдемо до наступного механізму синхронізації, який ще простіший у використанні, але буде на 100 відсотків корисним для ваших потреб.

CyclicBarrier

Barrier у Java представлені класом java.util.concurrent.CyclicBarrier. Основні методи CyclicBarrier включають:

Конструктори CyclicBarrier

CyclicBarrier(int parties): Конструктор, який створює бар'єр, що блокує потоки до тих пір, поки не прибуде певна кількість потоків (parties).

Main.java


              1
            
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(10);

CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction): Конструктор, який створює бар'єр із заданою кількістю учасників та дією (barrierAction), що виконується, коли всі учасники досягають бар'єра.

Main.java


              1234567
            
Runnable task = () -> {
    // This task will be executed when all parties have reached the barrier
    System.out.println("Hello))");
};

// Create a `CyclicBarrier` for 10 parties with a barrier action
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(10, task);

Методи CyclicBarrier

Основний метод await(), який використовується як бар'єр і не дозволяє потоку рухатися далі, доки всі потоки не досягнуть цього методу. Повертає порядковий номер, що вказує на порядок прибуття учасників.

Main.java


              1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344
            
package com.example;

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // Create a `CyclicBarrier` for 3 parties with a barrier action
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
            System.out.println("All parties have reached the barrier. Barrier action executed.");
        });

        // Create and start 3 worker threads
        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            new Thread(new Worker(barrier), "Worker-" + i).start();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private CyclicBarrier barrier;

        Worker(CyclicBarrier barrier) {
            this.barrier = barrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(name + " is working...");

            try {
                // Simulate work
                Thread.sleep((int) (Math.random() * 1000));

                System.out.println(name + " is waiting at the barrier.");
                barrier.await(); // Wait at the barrier

                // This code will execute after all parties have reached the barrier
                System.out.println(name + " has crossed the barrier.");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

Може статися так, що не всі потоки досягнуть бар'єра, і програма зависне. Для цього використовується метод int await(long timeout, TimeUnit unit), який подібний до await(), але з тайм-аутом. Якщо тайм-аут спливає до того, як усі учасники прибудуть, метод генерує виняток TimeoutException.

Також можна дізнатися кількість учасників, необхідних для завершення бар'єра — int getParties(), а також подібний метод int getNumberWaiting(), який повертає кількість учасників, що наразі очікують на бар'єрі.

Main.java


              12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849
            
package com.example;

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // Create a `CyclicBarrier` for 3 parties with a barrier action
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
            System.out.println("All parties have reached the barrier. Barrier action executed.");
        });

        System.out.println("Total number of parties required to complete the barrier: " + barrier.getParties());

        // Create and start 3 worker threads
        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            new Thread(new Worker(barrier), "Worker-" + i).start();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private CyclicBarrier barrier;

        Worker(CyclicBarrier barrier) {
            this.barrier = barrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(name + " is working...");

            try {
                // Simulate work
                Thread.sleep((int) (Math.random() * 1000));

                System.out.println(name + " is waiting at the barrier.");
                barrier.await(); // Wait at the barrier

                // This code will execute after all parties have reached the barrier
                System.out.println(name + " has crossed the barrier.");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }

            // Print the number of participants currently waiting at the barrier
            System.out.println("Number of participants currently waiting at the barrier: " + barrier.getNumberWaiting());
        }
    }
}

Також можливо перевірити, чи бар'єр було зруйновано у випадку, якщо один із потоків був перерваний або закінчився час очікування, використовуючи метод boolean isBroken(). Якщо бар'єр зламано, можна скористатися методом void reset(), який просто відновить бар'єр.

Main.java


              12345
            
// Check if the barrier is broken and reset it if necessary
if (barrier.isBroken()) {
    System.out.println("Barrier is broken. Resetting the barrier.");
    barrier.reset();
}

Примітка

Слід враховувати, що деякий потік може не досягти бар'єра через помилку або інші причини, і тоді стає очевидно, що бар'єр не пропустить ті потоки, які наразі очікують на бар'єрі.

Все було зрозуміло?

Дякуємо за ваш відгук!

Секція 3. Розділ 3

Запитати АІ

Запитайте про що завгодно або спробуйте одне із запропонованих запитань, щоб почати наш чат

Awesome!

Completion rate improved to 3.33

Свайпніть щоб показати меню

Сьогодні розглянемо кожен із цих механізмів по черзі та зрозуміємо їх відмінності. Почнемо з Semaphore.

Semaphore у Java реалізовані за допомогою класу java.util.concurrent.Semaphore.

Конструктори

Main.java


              1
            
 Semaphore semaphore = new Semaphore(20);

Main.java


              1
            
Semaphore semaphore = new Semaphore(20, true);

Основні методи

Main.java


              1234567891011121314151617181920212223242526272829303132
            
package com.example;

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class Main {
    private final Semaphore semaphore;

    public Main(int slots) {
        semaphore = new Semaphore(slots);
    }

    public void parkCar() {
        try {
            semaphore.acquire(); // Request a parking spot
            System.out.println("Car parked. Available slots: " + semaphore.availablePermits());
            Thread.sleep(2000); // Simulate parking time
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            semaphore.release(); // Release the parking spot
            System.out.println("Car left. Available slots: " + semaphore.availablePermits());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Main parking = new Main(3); // Parking lot with 3 spots

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(parking::parkCar).start();
        }
    }
}

Main.java


              1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041
            
package com.example;

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class Main {
    // Define the maximum number of permits available
    private static final int MAX_PERMITS = 3;
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(MAX_PERMITS);

    public static void main(String[] args) {
        // Create and start 5 worker threads
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            new Thread(new Worker(), "Worker-" + i).start();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(name + " trying to acquire a permit...");

            // Try to acquire a permit
            if (semaphore.tryAcquire()) {
                try {
                    System.out.println(name + " acquired a permit! Available permits: " + semaphore.availablePermits());
                    Thread.sleep(1000); // Simulate work
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    // Release the permit after the work is done
                    semaphore.release();
                    System.out.println(name + " released a permit. Available permits: " + semaphore.availablePermits());
                }
            } else {
                // Inform if the permit could not be acquired
                System.out.println(name + " could not acquire a permit. Available permits: " + semaphore.availablePermits());
            }
        }
    }
}

Примітка

CyclicBarrier

Barrier у Java представлені класом java.util.concurrent.CyclicBarrier. Основні методи CyclicBarrier включають:

Конструктори CyclicBarrier

Main.java


              1
            
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(10);

Main.java


              1234567
            
Runnable task = () -> {
    // This task will be executed when all parties have reached the barrier
    System.out.println("Hello))");
};

// Create a `CyclicBarrier` for 10 parties with a barrier action
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(10, task);

Методи CyclicBarrier

Main.java


              1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344
            
package com.example;

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // Create a `CyclicBarrier` for 3 parties with a barrier action
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
            System.out.println("All parties have reached the barrier. Barrier action executed.");
        });

        // Create and start 3 worker threads
        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            new Thread(new Worker(barrier), "Worker-" + i).start();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private CyclicBarrier barrier;

        Worker(CyclicBarrier barrier) {
            this.barrier = barrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(name + " is working...");

            try {
                // Simulate work
                Thread.sleep((int) (Math.random() * 1000));

                System.out.println(name + " is waiting at the barrier.");
                barrier.await(); // Wait at the barrier

                // This code will execute after all parties have reached the barrier
                System.out.println(name + " has crossed the barrier.");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

Main.java


              12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849
            
package com.example;

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // Create a `CyclicBarrier` for 3 parties with a barrier action
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
            System.out.println("All parties have reached the barrier. Barrier action executed.");
        });

        System.out.println("Total number of parties required to complete the barrier: " + barrier.getParties());

        // Create and start 3 worker threads
        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            new Thread(new Worker(barrier), "Worker-" + i).start();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private CyclicBarrier barrier;

        Worker(CyclicBarrier barrier) {
            this.barrier = barrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(name + " is working...");

            try {
                // Simulate work
                Thread.sleep((int) (Math.random() * 1000));

                System.out.println(name + " is waiting at the barrier.");
                barrier.await(); // Wait at the barrier

                // This code will execute after all parties have reached the barrier
                System.out.println(name + " has crossed the barrier.");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }

            // Print the number of participants currently waiting at the barrier
            System.out.println("Number of participants currently waiting at the barrier: " + barrier.getNumberWaiting());
        }
    }
}

Main.java


              12345
            
// Check if the barrier is broken and reset it if necessary
if (barrier.isBroken()) {
    System.out.println("Barrier is broken. Resetting the barrier.");
    barrier.reset();
}

Примітка

Все було зрозуміло?

Дякуємо за ваш відгук!

Секція 3. Розділ 3

Семафор і Бар'єр

Конструктори

Основні методи

CyclicBarrier

Конструктори CyclicBarrier

Методи CyclicBarrier

Awesome!

Семафор і Бар'єр

Конструктори

Основні методи

CyclicBarrier

Конструктори CyclicBarrier

Методи CyclicBarrier