Як організувати багато потокове застосування? Які проблеми можуть виникнути під час взаємодії потоків і які методи їх уникнення?

Потік – послідовність команд, що виконується процесором. Він відкривається коли процесу виділяється процесорний час. В одному процесі може біти декілька потоків.

Фундаментальная концепция в компьютерном программировании - это идея обработки более одной задачи одновременно. Многи проблемы программирования требуют, чтобы программы были способны остановить свое выполнение, заняться какой-то другой проблемой, а затем вернуться к главному процессу. Решение может быть получено несколькими путями. Изначально, программисты со знаниями нижнего уровня машины писали процедуру обработки прерывания и приостановление главного процесса инициировалось аппаратным прерыванием. Хотя это работало хорошо, это было сложно не оперативно, так что это делало перенос программы на новый тип машин медленным и дорогим.

Иногда прерывания необходимы для обработки критичных ко времени задач, но есть большой класс проблем, в которых вы просто пробуете отделить часть проблемы в отдельно работающий процесс, так что вся программа станет легче отзываться. Внутри программы раздельно выполняющие части, называются потоками, а общая концепция называется многопоточностью. Общий пример многопоточности - это пользовательский интерфейс. При использовании потоков пользователь может нажать кнопку и получить быстрый ответ, не заставляя ждать, пока программа завершит свою текущую задачу.

Обычно, потоки - это просто способ выделить время у одного процессора. Но если операционная система поддерживает несколько процессоров, каждый поток может выполняться различными процессорами, и они действительно могут работать параллельно. Одно из удобств многопоточности на уровне языка - это то, что программист не должен беспокоится о том, есть ли в системе несколько процессоров или только один. Программа логически разделена на потоки и, если машина имеет более одного процессора, то программа работает быстрее без дополнительных регулировок.

Все это делает использование потоков приятно простым. В этом выгода: разделение ресурсов. Если вы имеете более одного запущенного процесса, которые ожидают доступа к одному и тому же ресурсу, вы имеете проблему. Например, два процесса не могут одновременно посылать информацию на принтер. Для решения проблемы ресурс, который может быть разделен, такой как принтер, должен быть заблокирован, пока он используется. Так процесс блокирует ресурс, завершает задачу, а затем освобождает блокировку, так что кто-то другой может использовать ресурс.

Потоки Java встроены в язык, что делает сложные предметы более простыми. Потоки поддерживается на уровне объектов, так что один исполняющийся поток представлен одним объектов. Java также обеспечивает ограниченное блокирование ресурса. Может быть заблокирована память любого объекта (который, помимо всего, один из видов разделяемых ресурсов), так что только один поток может использовать его одновременно. Это достигается с помощью ключевого слова synchronized. Другие типы ресурсов должны быть явно заблокированы программистом, обычно с помощью создания объекта для представления блокировки, который все потоки должны проверять прежде, чем обратится к ресурсу.

Часто виникають проблеми, зв’язані із використанням паралельно працюючих потоків одних і тих же даних чи пристроїв. Для вирішення подібних проблем використовують такі методи:

1) Взаимоисключения (mutex, мьютекс) — это объект синхронизации, который устанавливается в особое сигнальное состояние, когда не занят каким-либо потоком. Только один поток владеет этим объектом в любой момент времени, отсюда и название таких объектов (mutually exclusive access - взаимно исключающий доступ) — одновременный доступ к общему ресурсу исключается. После всех необходимых действий мьютекс освобождается, предоставляя другим потокам доступ к общему ресурсу.

2) Семафоры представляют собой доступные ресурсы, которые могут быть приобретены несколькими потоками в одно и то же время, пока пул ресурсов не опустеет. Тогда дополнительные потоки должны ждать, пока требуемое количество ресурсов не будет снова доступно. Семафоры очень эффективны, поскольку они позволяют одновременный доступ к ресурсам.

3) События. Объект, хранящий в себе 1 бит информации "просигнализирован или нет", над которым определены операции "просигнализировать", "сбросить в непросигнализированное состояние" и "ожидать". Ожидание на просигнализированном событии есть отсутствие операции с немедленным продолжением исполнения потока. Ожидание на не-просигнализированном событии приводит к приостановке исполнения потока до тех пор, пока другой поток  не просигнализирует событие.

4) Критические секции обеспечивают синхронизацию подобно мьютексам за исключением того, что объекты, представляющие критические секции, доступны в пределах одного процесса. События, мьютексы и семафоры также можно использовать в однопроцессном приложении, однако критические секции обеспечивают более быстрый и более эффективный механизм взаимно-исключающей синхронизации - операции "получить" и "освободить" на критической секции оптимизированы для случая единственного потока (отсутствия конкуренции) с целью избежать любых ведущих в ядро ОС системных вызовов. Подобно мьютексам объект, представляющий критическую секцию, может использоваться только одним потоком в данный момент времени, что делает их крайне полезными при разграничении доступа к общим ресурсам.