Data Synchronization

• Coordenação entre threads, necessária para assegurar a consistência dos dados mutáveis partilhados;
• Obtida através de exclusão mútua (locks);

Exclusão Mútua e Locks

• Assegura que apenas uma thread pode aceder a um certo recurso, num dado momento, ou seja, não mais que uma thread acede ao mesmo recurso simultaneamente;
• Um objeto de exclusão mútua é chamado de Lock e tem dois estados:
  • Locked: uma thread tem a posse do lock, para aceder ao recurso;
  • Unlocked: nenhuma thread tem a posse do lock.
• Também tem duas operações:
  • lock/acquire: obtém a posse do lock;
  • unlock/release: liberta a posse do lock.

• Um lock unlocked e acquired pela thread T1, passa para o estado locked;
• Um lock locked por T1, passa para o estado unlocked se T1 der unlock;
• Se T1 der acquire num lock locked por T2, T1 fica bloqueada até T2 der unlock.

Reentrant Locks

• Locks com reentrant acquisition;
• Um acquire num lock locked pela mesma thread, é bem sucedido, e não bloqueia a thread, visto que esta já tem a posse do lock; um reentrance counter é incrementado;
• Um release decrementa o reentrance counter, e o lock só fica unlocked quando o reentrance counter chegar a zero.

AVISO

• Ter atenção nas operações realizadas na posse da exclusão mútua, incorrendo no risco de usar o lock demasiado tempo:
  • I/O operations;
  • Aquisição de outros locks (pode levar a deadlocks);
• A thread pode ficar num estado non-ready com a posse do lock, o que é negativo para o desempenho.

Control Synchronization

• Mecanismo de coordenação entre threads, quando estas têm de esperar que certas condições sejam cumpridas por outras threads;
• Realizado por sincronizadores;
• Um monitor é um construtor de outros sincronizadores.

Condition

• Permite à thread suspender a sua execução até que uma condição seja true;
• Obter uma condição: Lock.newCondition(): Condition;

Métodos relevantes:

• Condition.await(): espera passiva, sem a posse do lock, até que a condição seja sinalizada ou que a thread seja interrompida;
• Condition.signal(): sinaliza uma thread à espera da condição;
• Condition.signalAll(): sinaliza todas as threads que estavam à espera;

NOTAS:

• O estado de saída do await não é necessariamente igual ao estado no momento do signal;
• Isto implica reavaliação da condição;
• A não realização de um signal sempre que o estado seja propício à evolução de uma thread origina threads que nunca vão evoluir;
• Spurious Wake-up: ocorre quando uma thread “acorda” de uma espera de uma condição, apenas para ver que a condição ainda não é verdadeira.

Fast-Path

• Existem condições para prosseguir;
• Altera o estado e termina;

Wait-Path

• Necessidade de espera;
• Ciclo:
  • await da condição;
  • reavaliação da condição:
    • se for verdadeira, alterar estado e terminar;
    • caso contrário, voltar ao início do ciclo.

Técnicas de sincronização

Monitor-Style

• A thread que altera o estado cria condições para a outra prosseguir, e sinaliza;
• A outra thread é que realiza a sua mudança de estado.

Kernel-Style (Delegação de execução)

• A thread que altera o estado e cria condições para a outra prosseguir, realiza o que a outra pretender fazer e sinaliza.

Locks na JVM

• Existem duas formas de obter locks:
  • A interface Lock e as classes que a implementam (e.g. ReentrantLock);
  • Locks intrínsecos: todos os objetos da JVM possuem um lock:
    • São obtidos de duas maneiras:
      • Synchronized Statements;
      • Synchronized methods.

Synchronized Statements:

synchronized(obj) {
    // code
}

Synchronized methods:

• Em Kotlin utiliza-se a anotação @Synchronized;
• Em Java utiliza-se a keyword synchronized.

Para utilizar a condição do objeto:

• this.wait();
• this.notify();
• this.notifyAll().

Alguns Sincronizadores

Semaphore

• Usado para restringir o acesso da thread a algum recurso;
• Tem um contador inicializado com um número de unidades;
• Métodos:
  • acquire: espera até que uma unidade esteja disponível e decrementa o contador;
  • release: incrementa o contador;
• Pode ser fair ou unfair, sendo que fair implementa a topologia FIFO.

Exchanger

• Ponto de sincronização onde threads emparelham e trocam valores;
• Único método exchange(T value), que espera até que outra thread queira trocar um valor, ou troca se alguma já estiver à espera.

Thread Pool

• Coleção de worker threads que executam computações assíncronas;
• Usada para reduzir o número de threads da aplicação;
• Em Java, a classe Executors é uma factory para Thread Pools;
• A interface Executor tem um único método para submeter instâncias Runnable para execução: execute(Runnable runnable).