Giáo trình

Lập trình truyền thông

Science and Technology

Luồng (Thread) trong Java

Tác giả: unknown

Luồng (Thread)

Luồng là một cách thông dụng để nâng cao năng lực xử lý của các ứng dụng nhờ vào cơ chế song song. Trong một hệ điều hành cổ điển, đơn vị cơ bản sử dụng CPU là một quá trình. Mỗi quá trình có một Thanh ghi bộ đếm chương trình (PC-Program Counter), Thanh ghi trạng thái (Status Register), ngăn xếp (Stack) và không gian địa chỉ riêng (Address Space).

Ngược lại, trong một hệ điều hành có hỗ trợ tiện ích luồng, đơn vị cơ bản sử dụng CPU là một luồng. Trong những hệ điều hành này, một quá trình bao gồm một không gian địa chỉ và nhiều luồng điều khiển. Mỗi luồng có bộ đếm chương trình, trạng thái thanh ghi và ngăn xếp riêng. Nhưng tất cả các luồng của một quá trình cùng chia sẻ nhau một không gian địa chỉ. Nhờ đó các luồng có thể sử dụng các biến toàn cục, chia sẻ các tài nguyên như tập tin, hiệu báo một cách dễ dàng...

Cách thức các luồng chia sẻ CPU cũng giống như cách thức của các quá trình. Một luồng cũng có những trạng thái: đang chạy (running), sẵn sàng (ready), nghẽn (blocked) và kết thúc (Dead). Một luồng thì được xem như là một quá trình nhẹ. 

Các trạng thái của Luồng

Nhờ vào luồng, người ta thiết kế các server có thể đáp ứng nhiều yêu cầu một cách đồng thời.

Sử dụng luồng cho các server

Trong mô hình này, Server có một Luồng phân phát (Dispatcher thread) và nhiều Luồng thực hiện (Worker thread). Luồng phân phát tiếp nhận các yêu cầu nối kết từ các Client, rồi chuyển chúng đến các luồng thực hiện còn rảnh để xử lý. Những luồng thực hiện hoạt động song song nhau và song song với cả luồng phân phát,  nhờ đó,  Server có thể phục vụ nhiều Client một cách đồng thời.

Các mức cài đặt luồng

Nhìn từ góc độ hệ điều hành , Luồng có thể được cài đặt ở một trong hai mức:

  • Trong không gian người dùng (user space)
  • Trong không gian nhân (kernel mode):

Tiếp cận luồng ở mức người dùng:

Kiến trúc luồng cài đặt ở mức người dùng

Không gian người dùng bao gồm một hệ thống runtime mà nó tập hợp những thủ tục quản lý luồng. Các luồng chạy trong không gian nằm bên trên hệ thống runtime thì được quản lý bởi hệ thống này. Hệ thống runtime cũng lưu giữ một bảng tin trạng thái để theo dõi trạng thái hiện hành của mỗi luồng. Tương ứng với mỗi luồng sẽ có một mục từ trong bảng, bao gồm các thông tin về trạng thái, giá trị thanh ghi, độ ưu tiên và các thông tin khác về luồng

Tiếp cận này có hai mức định thời biểu (Scheduling): bộ định thời biểu cho các quá trình nặng và bộ định thời biểu trong hệ thống runtime. Bộ lập biểu của hệ thống runtime chia thời gian sử dụng CPU được cấp cho một quá trình thành những khoảng nhỏ hơn để cấp cho các luồng trong quá trình đó. Như vậy việc kết thúc một luồng thì vượt ra ngoài tầm kiểm soát của kernel hệ thống. 

Tiếp cận luồng ở mức hạt nhân hệ điều hành

Kiến trúc luồng cài đặt ở mức hệ thống

Trong tiếp cận này không có hệ thống runtime và các luồng thì được quản lý bởi kernel của hệ điều hành. Vì vậy, bảng thông tin trạng thái của tất cả các luồng thì được lưu trữ bởi kernel. Tất cả những lời gọi mà nó làm nghẽn luồng sẽ được bẫy (TRAP) đến kernel. Khi một luồng bị nghẽn, kernel chọn luồng khác cho thực thi. Luồng được chọn có thể cùng một quá trình với luồng bị nghẽn hoặc thuộc một quá trình khác. Vì vậy sự tồn tại của một luồng thì được biết bởi kernel và chỉ có một mức lập biểu trong hệ thống.

Luồng trong java

Trong Java, luồng là 1 đối tượng thuộc lớp java.lang.Thread. Một chương trình trong java có thể cài đặt luồng bằng cách tạo ra một lớp con của lớp java.lang.Thread. 

Lớp này có 3 phương thức cơ bản để điều khiển luồng là: 

  • public native synchronized void start() 
  • public void run() 
  • public final void stop() 

Phương thức start()

Chuẩn bị mọi thứ để thực hiện luồng.

Phương thức run()

Thực hiện công việc thực sự của luồng, () sẽ được kích hoạt một cách tự động bởi phương thức start(). 

Phương thức stop()

Kết thúc luồng.

Luồng sẽ "chết" khi tất cả các công việc trong  phương thức run() được thực hiện hoặc khi phương thức stop() được kích hoạt.

Ví dụ

Ví dụ sau định nghĩa lớp MyThread là một Thread có:

  • Các thuộc tính
    • name: tên của thread
    • n: số lần thread xuất hiện ra màn hình
  • Các phương thức:
    • MyThread(String name, int n):

Là phương thức khởi tạo, có nhiệm vụ gán giá trị cho 2 thuộc tính và gọi phương thức start() để cho thread hoạt động (start() tự động gọi run())

  • run()

In n lần dòng thông báo ra màn hình rồi kết thúc thread.

  • main()

Tạo ra 4 thread thuộc lớp MyThread lần lượt có tên là Thread0, Thread1, Thread2, Thread3. Mỗi thread có 1000 lần xuất hiện ra màn hình. 

Lưu chương trình sau vào tập tin MyThread.java

public class MyThread extends Thread{        String name;        int n;    MyThread(String name, int n){        this.name = name;        this.n = n;        System.out.println("Thread "+name+" has been created ....!");        start();    }    public void run(){        for(int i=0; i< n; i++) {            System.out.println("Hello, I'm "+ name);            System.out.println(" I go to bed now, bye bye ... wow ... ");        }    }    public static void main(String args[]){        int n = 1000;        int nt = 4 ;         for (int i=0; i< nt; i++){            MyThread t = new MyThread("Thread"+i,n);        }    }}

Biên dịch và thực thi ta có kết quả sau:

Kết quả biên dịch chương trình MyThread.java
Kết quả biên dịch chương trình MyThread.java

Các Thread in ra màn hình theo thứ tự ta không thể xác định trước được vì chúng được thực thi song song nhau. 

Để dừng tạm thời màn hình kết quả khi chương trình đang thực thi, ta nhấp chuột vào cửa số DOS mà chương trình đang chạy.  Sau đó ta nhấn phín Enter để chương trình tiếp tục.

Ngoài ra, lớp Thread còn có 1 số các phương thức khác :

  • public static void sleep(long milliseconds) throws InterruptedException: làm cho Thread bị nghẽn (Blocked) một khoảng thời gian mili giây xác định.
  • public final void suspend(): Chuyển Thread từ trạng thái sẳn sàng sang trạng thái nghẽn.
  • public final void resume(): Chuyển Thread từ trạng thái nghẽn sang trạng thái sẵn sàng.
  • public final void yield() : Chuyển Thread từ trạng thái đang chạy sang trạng thái sẵn sàng.

Độ ưu tiên của luồng 

Độ ưu tiên của các luồng xác định mức độ ưu tiên trong việc phân phối CPU giữa các luồng với nhau. Khi có nhiều luồng đang ở trạng thái "Ready", luồng có độ ưu tiên cao nhất sẽ được thực thi (chuyển đến trạng thái "running" ).

Độ ưu tiên trong Java được định nghĩa bằng các hằng số nguyên theo thứ tự giảm dần như sau:

  • Thread.MAX_PRIORITY
  • Thread.NORM_PRIORITY 
  • Thread.MIN_PRIORITY 

Hai phương thức liên quan đến độ ưu tiên của luồng là:

  • setPriority( int x): Đặt độ ưu tiên của luồng là x 
  • int getPriority( ): Trả về giá trị ưu tiên của luồng

Ví dụ:

Trong ví dụ này chúng ta tạo ra 12 Thread thuộc lớp MyThread. Một mảng 3 phần tử tên prio chứa 3 độ ưu tiên từ cao nhất đến thấp nhất. Thread thứ i sẽ có độ ưu tiên ở vị trí i%3 trong mảng prio. Như vậy các thread 0,3,6,9 có độ ưu tiên cao nhất, sau đó đến Thread 1,4,7,10 và cuối cùng là các thread 2,5,8,11.

Lưu chương trình sau vào tập tin PriorityThread.java

public class PriorityThread{    public static void main(String args[]){        int n = 1000;        int nt = 12;         int prio[]= { Thread.MAX_PRIORITY,                           Thread.NORM_PRIORITY,                             Thread.MIN_PRIORITY};        for (int i=0; i< nt; i++){            MyThread t = new MyThread("Thread"+i,n);            t.setPriority(prio[i%3]);        }    }}

Kết quả biên dịch chương trình PriorityThread.java
Biên dịch và thực thi ta được kết quả như sau:

Kết quả biên dịch chương trình PriorityThread.java

Các Thread 0,3,9 có độ ưu tiên cao hơn các Thread khác cho nên chúng được thực thi thường xuyên hơn.

Các Thread 2,5,8,11 có độ ưu tiên thấp nhất nên chúng kết thúc sau cùng.

Đồng bộ hóa giữa các luồng

Tất cả các luồng của một quá trình thì được thực thi song song và độc lập nhau nhưng lại cùng chia sẻ nhau một không gian địa chỉ của quá trình. Chính vì vậy có thể dẫn đến khả năng đụng độ trong việc cập nhật các dữ liệu dùng chung của chương trình (biến, các tập tin được mở) khi một luồng ghi lên một dữ liệu trong khi một luồng khác đang đọc dữ liệu này.

Trong trường hợp đó, cần phải sử dụng cơ chế đồng bộ hóa của Java. Có nhiều mức đồng bộ hóa như: trên một biến, trên một câu lệnh, trên một khối lệnh hay trên một phương thức.

Mục lục
Đánh giá:
0 dựa trên 0 đánh giá
Nội dung cùng tác giả
 
Nội dung tương tự