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Java Concurrency

作業系統學到的同步化知識，Java 內建就有，以下讓我們窺其一二。

使用 Thread

建立執行緒

1. 實作 Runnable

   ​​​​public class SomeRunnable implements Runnable {
   ​​​​		@Override
   ​​​​		public void run() { /* ... */ }
   ​​​​}
   

2. 繼承 Thread

   ​​​​public class SomeThread extends Thread {
   ​​​​		@Override
   ​​​​		public void run() { /* ... */ }
   ​​​​}
   

3. 使用

   ​​​​var runnableThread = new Thread(new SomeRunnable());
   ​​​​runnableThread.start();
   
   ​​​​var myThread = new SomeThread();
   ​​​​myThread.start();
   

新執行緒的 Function Call 會在新的 Stack 上運作，與當前 Stack 分離。

同步化議題

有別於 Fork Process，Heap 上的記憶體是各個 Thread 共享的（Share Memory），故會有 Race Condition。

Java 提供兩種 Race Condition 的解決方法。

以下兩者等價。

1. Monitor 風格
   對方法同步，也就是一次只能有一個 Thread 可以使用需要同步的方法。

   ​​​​public class MonitorCounter {
   ​​​​    private int shared_var;
   ​​​​
   ​​​​    public synchronized void set(int val) {
   ​​​​        shared_var = val;
   ​​​​    }
   ​​​​    
   ​​​​    public synchronized int get() {
   ​​​​        return shared_var;
   ​​​​    }
   ​​​​}
   

2. Critical Section 風格
   對 Heap Memory 上的物件同步。
   因為 Java 的物件都在 Heap 上，故將 this 放入就等於一次只能有一個 Thread 呼叫這倆要同步的方法。

   ​​​​public class SyncCounter {
   ​​​​    private int shared_var;
   ​​​​
   ​​​​    public void set(int val) {
   ​​​​        synchronized(this) {
   ​​​​            shared_var = val;
   ​​​​        }
   ​​​​    }
   ​​​​    
   ​​​​    public synchronized int get() {
   ​​​​        synchronized(this) {
   ​​​​            return shared_var;
   ​​​​        }
   ​​​​    }
   ​​​​}
   

不過最重要的是，要清楚 Critical Section 真正的範圍。以下就算用上面方法上同步化的物件也沒用。

counter = new SyncCounter(); // shared_var = 0
// Thread 1
int c = counter.get();
++c;
counter.set(c);
// Thread 2
int c = counter.get();
--c;
counter.set(c);
// The result of shared_var can be 0, 1, -1...
// because te real critical section is the whole get-and-set process!

解決方法有二，一是使用者把使用者的操作也納入 Critical Section，二是物件提供同步化的 get-and-set 的方法。

Semaphore 的使用: wait 和 notify

Java 的所有物件都內建 semaphore 的邏輯！！！

如果某 Thread 得不到需要的物件資源，可以主動呼叫該物件的 Object::wait 方法將執行權讓給其他 Thread；當某 Thread 釋放此物件資源時可以呼叫 Object::notifyAll 方法喚醒「所有」在等待此資源的 Thread，當中的「某一個」物件將會獲得此物件的使用權。注意這裡說「物件的使用權」是自訂義的，Java 並不會限制物件的使用。

另注意，Object::wait 方法總是習慣被包在回圈中，因為只有「某一個」想使用物件的 Thread 可以真的獲得之。