Chapter13

CS313: Object-Oriented Programming

บทที่ 13: Multithreading

บทที่ 13 Multithreading 13.1 Introduction ในการทํางานของโปรแกรมโดยทั่วไป จะเปนการทํางานตามลําดับของคําสั่งทีละคําสั่ง (sequential processing) แตจะมีการทํางานแบบหนึ่งซึ่งงานตางๆ สามารถทําไดพรอมกัน โดยไมตองรอใหงานนั้นๆ เสร็จ เชน ระบบการหายใจของมนุษย สามารถทํางานพรอมกับระบบการยอยอาหาร หรือสัมผัสทั้ง 5 ของมนุษย อัน ไดแก การมองเห็น การฟง การไดกลิ่น การลิ้มรส และการสัมผัส ในทางคอมพิวเตอรก็มีระบบการทํางานใน ลักษณะนี้เชนกัน ตัวอยางเชน เราสามารถ compile โปรแกรม พรอมกับการสั่งพิมพเอกสาร หรือการเปดเพลง mp3 การทํางานที่พรอมกันหลายๆ งานในเวลาหนึ่งๆ เรียกวา parallel processing หรือ concurrency processing ภาษา Java เปนภาษาที่รองรับการทํางานทั้งแบบ sequential และ แบบ concurrency โดยที่การ เขียนโปรแกรมแบบ concurrency นัน้ จะอยูในลักษณะของ thread thread เปนกระบวนการเขียนโปรแกรมที่สามารถทําใหเกิดงานไดหลายงานในหนึ่งโปรแกรม การ เขียนโปรแกรมแบบ thread ในภาษา Java นี้จะเปน multithreading ซึง่ คุณสมบัตินี้ไมมีในภาษาอื่น เชน C หรือ C++ ซึง่ ถูกจัดเปนภาษาประเภท single-threaded language 13.2 Thread Creating ในการสราง thread สามารถทําได 2 วิธีคือ โดยการสืบทอดจาก class Thread และอีกวิธีหนึ่งคือ การ implement interface ชื่อ Runnable ตัวอยางที่ 1 การสราง thread โดยการสืบทอดจาก class Thread // Creates three threads that run concurrently. public class Simultaneous public static Soda one = Soda two = Soda three

} }

2/2545

{

void main (String[] args) new Soda ("Coke"); new Soda ("Pepsi"); = new Soda ("Mirinda");

{

one.start(); // The start method begins thread processing two.start(); three.start(); // method main

// class Simultaneous

1

CS313: Object-Oriented Programming

บทที่ 13: Multithreading

ตัวอยางที่ 1 (ตอ) // A thread that prints a message 100 times. class Soda extends Thread

{

private String name; Soda (String str) { name = str; } // constructor Soda // The run method defines the concurrent code. public void run() { for (int count = 0; count < 100; count++) System.out.println (name); } // method run }

// class Soda

ตัวอยางที่ 1 เปนตัวอยางการสราง class ชื่อ Soda ซึง่ เปน sub-class ของ class Thread ใน class Thread จะมี method ทีช่ ื่อวา run() ซึง่ จะตองถูก override โดย sub-class ภายใน method run() จะบรรจุ code ทีต่ อ งการใหทํางานเมื่อมีการสั่งให thread นัน้ ๆ ทํางาน โดย method start() ใน class Simultaneous มีการสราง 3 object ชื่อ one, two และ three จาก class Soda ดังนั้นทั้ง 3 object ก็คือ thread นั่นเอง โดย object ทัง้ 3 จะถูกทํางานจากคําสั่ง one.start(); two.start(); และ three.start() ตามลําดับ ในการทํางานจะพบวา ขอความที่ถูกพิมพ จะปะปนกันไป ไมเรียงตามลําดับของการ สัง่ งาน ทั้งนี้เนื่องจากแตละ thread มีอสิ ระในการประมวลผล ตัวอยางที่ 2 การสราง thread โดยการ implement interface ชือ่ Runnable import java.awt.Graphics; import java.awt.Font; import java.util.Date; public class DigitalThreads extends java.applet.Applet implements Runnable { Font theFont = new Font ("TimesRoman", Font.BOLD, 24); Date theDate; Thread runner; public void start() { if (runner == null) { runner = new Thread(this); runner.start(); } } // method start public void stop() { if (runner != null) { runner.stop(); runner = null; } } // method stop

2/2545

2

CS313: Object-Oriented Programming

บทที่ 13: Multithreading

ตัวอยางที่ 2 (ตอ) public void run() { while (true) { theDate = new Date(); repaint(); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { } } } // method run public void paint (Graphics g) { g.setFont (theFont); g.drawString (theDate.toString(), 10, 50); } // method paint } // class DigitalThreads

<TITLE>DigitalThreads Applet <APPLET CODE="DigitalThreads.class" WIDTH=430 HEIGHT=100>

ตัวอยางที่ 2 เปน applet ทีแ่ สดงเวลาปจจุบันของเครื่องคอมพิวเตอร โดยจะมีการสราง object ชื่อ runner จาก class Thread method ทีใ่ ชมีทั้งหมด 4 method ดังนี้ 1. start() เปน method ทีจ่ ะถูกเรียกเมื่อมีการเริ่มประมวลผล applet DigitalThreads 2. stop() เปน method ทีจ่ ะถูกเรียกเมื่อ applet นีจ้ บการทํางาน 3. run() เปน method ทีจ่ ะทํางานเมื่อ thread ที่ชื่อ runner ถูกเรียกโดยคําสั่ง runner.start() 4. paint() เปน method ทีใ่ ชในการแสดงผลทาง graphics 13.3 Thread States: Life Cycle of a Thread วงจรชีวิตของแตละ thread เริ่มตนที่ขั้น born เมือ่ ถูกเริ่มสราง และจะอยูที่ขั้นนี้จนกระทั่ง method start ถูกเรียกประมวลผล ซึ่งจะทําให thread นั้นๆ อยูที่ขั้น ready โดยที่ thread ที่มี priority สูงที่สุดจะถูก ทํางานกอนโดยเขาสูขั้น running แตละ thread จะเขาสูขั้นสุดทายของวงจรชีวิตคือ dead เมื่อ thread นั้น ทํางานใน method run เสร็จเรียบรอย หรือเมื่อถูก terminate ดวยเหตุผลใดๆ ก็ตาม

2/2545

3

CS313: Object-Oriented Programming

บทที่ 13: Multithreading

ในชวงที่ thread หนึ่งๆ อยูในขั้น running thread นัน้ จะสามารถยายไปอยูในขั้น blocked ได เมื่อ มีการเรียกใชงาน input หรือ output ในกรณีนี้ thread ดังกลาวจะกลับมาสูขั้น running เมือ่ กระบวนการ input หรือ output ไดทํางานเสร็จสิ้นลง เมือ่ มีการเรียก method sleep() ใน thread ทีอ่ ยูในขั้น running จะสงผลให thread ดังกลาวเขาสู ขั้น sleeping ซึง่ เหมือนกับการหยุดการทํางานชั่วคราว โดยทั่วไปจะมีการกําหนดเวลาสําหรับการอยูในขั้น sleeping ซึง่ เมือ่ หมดเวลาที่กําหนดไวแลว thread นัน้ ๆ จะกลับสูขั้น running อีกครั้งหนึ่ง เมื่อ thread ในขั้น running มีการเรียก method wait() จะสงผลให thread ดังกลาวเปลี่ยนสถานะ มาอยูในขั้น waiting เพือ่ ทําการรอการตอบสนองจาก object ทีร่ ะบุไวเมื่อมีการเรียก method wait() thread ในขั้น waiting จะกลับเขาสูขั้น running เมือ่ มีการเรียก method notify() หรือ notifyAll() โดย thread อื่นที่เกี่ยว ของกับ object นั้นๆ วงจรชีวิตของ Thread สามารถสรุปไดดังภาพตอไปนี้

born start() I/O completion

sleep interval expires

ready

notify() notifyAll()

Quantum expiration yield interrupt

dispatch (assign a processor)

running issue I/O

wait()

waiting

2/2545

sleep() sleeping

complete

dead

blocked

4

CS313: Object-Oriented Programming

บทที่ 13: Multithreading

13.4 Thread Synchronization ปญหาทีอ่ าจเกิดขึ้นเมื่อมีการทํางานหลาย thread พรอมๆ กัน โดยที่แตละ thread มีการใชขอมูล รวมกัน อาจเกิดขอผิดพลาดกับขอมูลดังกลาวได วิธกี ารแกปญหานี้คือ การใช method synchronized โดยที่ method นีจ้ ะอนุญาตใหเพียง 1 thread เทานั้นที่จะ execute คําสั่งตางๆ ภายใน method synchronized ได สวน thread อืน่ ๆ จะตองรอ (wait) จน กวา thread นัน้ ทํางานใน method synchronized เสร็จกอน ตัวอยางที่ 3 Producer / consumer relationship without Thread Synchronization // Show multiple threads modifying shared object. public class SharedCell { public static void main( String args[] ) { HoldIntegerUnsynchronized h = new HoldIntegerUnsynchronized(); ProduceInteger p = new ProduceInteger( h ); ConsumeInteger c = new ConsumeInteger( h ); p.start(); c.start(); } }

// Definition of threaded class ProduceInteger public class ProduceInteger extends Thread { private HoldIntegerUnsynchronized pHold; public ProduceInteger( HoldIntegerUnsynchronized h ) { super( "ProduceInteger" ); pHold = h; } public void run() { for ( int count = 1; count <= 10; count++ ) { // sleep for a random interval try { Thread.sleep( (int) ( Math.random() * 3000 ) ); } catch( InterruptedException e ) { System.err.println( e.toString() ); } pHold.setSharedInt( count ); }

2/2545

5

CS313: Object-Oriented Programming

บทที่ 13: Multithreading

ตัวอยางที่ 3 (ตอ) System.err.println( getName() + " finished producing values" + "\nTerminating " + getName() ); } } // Definition of threaded class ConsumeInteger public class ConsumeInteger extends Thread { private HoldIntegerUnsynchronized cHold; public ConsumeInteger( HoldIntegerUnsynchronized h ) { super( "ConsumeInteger" ); cHold = h; } public void run() { int val, sum = 0; do { // sleep for a random interval try { Thread.sleep( (int) ( Math.random() * 3000 ) ); } catch( InterruptedException e ) { System.err.println( e.toString() ); } val = cHold.getSharedInt(); sum += val; } while ( val != 10 ); System.err.println( getName() + " retrieved values totaling: " + sum + "\nTerminating " + getName() ); } }

// Definition of class HoldIntegerUnsynchronized public class HoldIntegerUnsynchronized { private int sharedInt = -1; public void setSharedInt( int val ) { System.err.println( Thread.currentThread().getName() + " setting sharedInt to " + val ); sharedInt = val; } public int getSharedInt() { System.err.println( Thread.currentThread().getName() + " retrieving sharedInt value " + sharedInt ); return sharedInt; } }

2/2545

6

CS313: Object-Oriented Programming

บทที่ 13: Multithreading

สังเกตุผลลัพธที่ไดหลังจาก run class SharedCell ตัวอยางที่ 4 Producer / consumer relationship with Thread Synchronization // Show multiple threads modifying shared object. public class SharedCell { public static void main( String args[] ) { HoldIntegerSynchronized h = new HoldIntegerSynchronized(); ProduceInteger p = new ProduceInteger( h ); ConsumeInteger c = new ConsumeInteger( h ); p.start(); c.start(); } }

// Definition of threaded class ProduceInteger public class ProduceInteger extends Thread { private HoldIntegerSynchronized pHold; public ProduceInteger( HoldIntegerSynchronized h ) { super( "ProduceInteger" ); pHold = h; } public void run() { for ( int count = 1; count <= 10; count++ ) { // sleep for a random interval try { Thread.sleep( (int) ( Math.random() * 3000 ) ); } catch( InterruptedException e ) { System.err.println( e.toString() ); } pHold.setSharedInt( count ); } System.err.println( getName() + " finished producing values" + "\nTerminating " + getName() ); } }

2/2545

7

CS313: Object-Oriented Programming

บทที่ 13: Multithreading

ตัวอยางที่ 4 (ตอ) // Definition of threaded class ConsumeInteger public class ConsumeInteger extends Thread { private HoldIntegerSynchronized cHold; public ConsumeInteger( HoldIntegerSynchronized h ) { super( "ConsumeInteger" ); cHold = h; } public void run() { int val, sum = 0; do { // sleep for a random interval try { Thread.sleep( (int) ( Math.random() * 3000 ) ); } catch( InterruptedException e ) { System.err.println( e.toString() ); } val = cHold.getSharedInt(); sum += val; } while ( val != 10 ); System.err.println( getName() + " retrieved values totaling: " + sum + "\nTerminating " + getName() ); } }

// Definition of class HoldIntegerSynchronized that // uses thread synchronization to ensure that both // threads access sharedInt at the proper times. public class HoldIntegerSynchronized { private int sharedInt = -1; private boolean writeable = true; // condition variable public synchronized void setSharedInt( int val ) { while ( !writeable ) { // not the producer's turn try { wait(); } catch ( InterruptedException e ) { e.printStackTrace(); } } System.err.println( Thread.currentThread().getName() + " setting sharedInt to " + val ); sharedInt = val; writeable = false;

2/2545

8

CS313: Object-Oriented Programming

บทที่ 13: Multithreading

ตัวอยางที่ 4 (ตอ) notify(); // tell a waiting thread to become ready } public synchronized int getSharedInt() { while ( writeable ) { // not the consumer's turn try { wait(); } catch ( InterruptedException e ) { e.printStackTrace(); } } writeable = true; notify(); // tell a waiting thread to become ready System.err.println( Thread.currentThread().getName() + " retrieving sharedInt value " + sharedInt ); return sharedInt; } }

เปรียบเทียบผลลัพธที่ไดกับตัวอยางที่ 3 13.5 Controlling Threads จากวงจรชีวิตของ thread ทําใหทราบวา thread ตางๆ สามารถถูกควบคุมไดโดย method ตางๆ ดังนี้ ! suspend() เปนการหยุดการทํางานของ thread ชัว่ คราว ! resume() เปนการเรียก thread ที่ถูก suspend ขึน้ มาทํางานใหม ! sleep ( long milliseconds) เปนการหยุดการทํางานของ thread นานตามเวลาที่กําหนด ตัวอยางที่ 5 bouncing ball import java.awt.event.*; import java.applet.Applet; import java.awt.*; // Simulates a ball on a rubber band. public class Bouncing_Ball extends Applet { private final int SIZE= 300; private Ball ball = new Ball(150, 10, 250, 200); private Graphics page;

2/2545

9

CS313: Object-Oriented Programming

บทที่ 13: Multithreading

ตัวอยางที่ 5 (ตอ) private Control_Panel controls; public void init() { setVisible (true); setSize (SIZE, SIZE); page = getGraphics(); page.setXORMode (getBackground()); } // method init public void start() { controls = new Control_Panel (Thread.currentThread()); controls.start(); ball.pause(); while (ball.moving()) { ball.bounce (page); } } // method start } // class Bouncing_Ball // Various buttons that suspend and resume execution of the applet thread. class Control_Panel extends Thread { private Button suspend = new Button ("suspend"); private Button resume = new Button ("resume"); private Frame frame = new Frame ("Bouncing Ball Control Panel"); private Thread applet_thread; Control_Panel (Thread applet_thread) { this.applet_thread = applet_thread; } // constructor Control_Panel public void run() { Resume_Action resume_action = new Resume_Action (applet_thread); Suspend_Action suspend_action = new Suspend_Action (applet_thread); suspend.addActionListener (suspend_action); resume.addActionListener (resume_action); frame.setLayout (new FlowLayout()); frame.add (suspend); frame.add (resume); frame.pack(); frame.setLocation (250, 200); frame.setVisible (true); } // method run } // class Control_Panel // Action for the suspend button class Suspend_Action implements ActionListener { Thread applet_thread; Suspend_Action (Thread applet_thread) { this.applet_thread = applet_thread; } // Constructor Suspend_Action public void actionPerformed (ActionEvent action) { applet_thread.suspend(); // Suspends the animation } // method actionPerformed } // class Suspend_Action

2/2545

10

CS313: Object-Oriented Programming

บทที่ 13: Multithreading

ตัวอยางที่ 5 (ตอ) // Action for the suspend button class Resume_Action implements ActionListener { Thread applet_thread; Resume_Action (Thread applet_thread) { this.applet_thread = applet_thread; } // constructor Resume_Action public void actionPerformed (ActionEvent action) { applet_thread.resume(); // Resumes the animation } // method actionPerformed } // class Resume_Action // Draws the ball and simulates its movement. class Ball { private final int MOVE = 2; private final float DISTANCE = 0.97f; private final int SIZE = 20; private final int PAUSE = 5; private int x; private int start_y; private int end_y; private int length; private boolean moving_up = true; Ball (int new_x, int new_start_y, int new_end_y, int new_length) { x = new_x; start_y = new_start_y; end_y = new_end_y; length = new_length; } // constructor Ball public void pause() { try { Thread.currentThread().sleep (PAUSE); // Pauses the animation for a short time } catch (InterruptedException exception) { System.out.println ("have an exception"); // ignore the exception and continue } } // method pause void move() { if (moving_up) { end_y = end_y - MOVE; } else { end_y = end_y + MOVE; } } // method move

2/2545

11

CS313: Object-Oriented Programming

บทที่ 13: Multithreading

ตัวอยางที่ 5 (ตอ) void draw_ball (Graphics page) { page.drawOval (x-(SIZE/2), end_y, SIZE, SIZE); page.drawLine (x, start_y, x, end_y); } // draw_ball public boolean moving() { return length != 0; } // method moving public void bounce (Graphics page) { for (int count = 1; count < length; count += MOVE) { draw_ball (page); pause(); draw_ball (page); move(); } moving_up = !moving_up; length = (int) (DISTANCE * length); } // method bounce } // class Ball

<TITLE>Bouncing Ball Applet <APPLET CODE="Bouncing_Ball.class" WIDTH=300 HEIGHT=300>

2/2545

12