Otra clave para el éxito y la ventaja de la utilización de múltiples threads en una aplicación, o aplicación multithreaded, es que pueden comunicarse entre sí. Se pueden diseñar threads para utilizar objetos comunes, que cada thread puede manipular independientemente de los otros threads.
El ejemplo clásico de comunicación de threads es un modelo productor/consumidor. Un thread produce una salida, que otro thread usa (consume), sea lo que sea esa salida. Vamos entonces a crear un productor, que será un thread que irá sacando caracteres por su salida; crearemos también un consumidor que ira recogiendo los caracteres que vaya sacando el productor y un monitor que controlará el proceso de sincronización entre los threads. Funcionará como una tubería, insertando el productor caracteres en un extremos y leyéndolos el consumidor en el otro, con el monitor siendo la propia tubería.
El productor extenderá la clase Thread, y su código es el siguiente:
class Productor extends Thread {
private Tuberia tuberia;
private String alfabeto = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
public Productor( Tuberia t ) {
// Mantiene una copia propia del objeto compartido
tuberia = t;
}
public void run() {
char c;
// Mete 10 letras en la tubería
for( int i=0; i < 10; i++ )
{
c = alfabeto.charAt( (int)(Math.random()*26 ) );
tuberia.lanzar( c );
// Imprime un registro con lo añadido
System.out.println( "Lanzado "+c+" a la tuberia." );
// Espera un poco antes de añadir más letras
try {
sleep( (int)(Math.random() * 100 ) );
} catch( InterruptedException e ) {
;
}
}
}
}
Notar que creamos una instancia de la clase Tuberia, y que se utiliza el método tuberia.lanzar() para que se vaya construyendo la tubería, en principio de 10 caracteres.
ConsumidorVeamos ahora el código del consumidor, que también extenderá la clase Thread:
class Consumidor extends Thread {
private Tuberia tuberia;
public Consumidor( Tuberia t ) {
// Mantiene una copia propia del objeto compartido
tuberia = t;
}
public void run() {
char c;
// Consume 10 letras de la tubería
for( int i=0; i < 10; i++ )
{
c = tuberia.recoger();
// Imprime las letras retiradas
System.out.println( "Recogido el caracter "+c );
// Espera un poco antes de coger más letras
try {
sleep( (int)(Math.random() * 2000 ) );
} catch( InterruptedException e ) {
;
}
}
}
}
En este caso, como en el del productor, contamos con un método en la clase Tuberia, tuberia.recoger(), para manejar la información.
MonitorUna vez vistos el productor de la información y el consumidor, nos queda por ver qué es lo que hace la clase Tuberia.
Lo que realiza la clase Tuberia, es una función de supervisión de las transacciones entre los dos threads, el productor y el consumidor. Los monitores, en general, son piezas muy importantes de las aplicaciones multithreaded, porque mantienen el flujo de comunicación entre los threads.
class Tuberia {
private char buffer[] = new char[6];
private int siguiente = 0;
// Flags para saber el estado del buffer
private boolean estaLlena = false;
private boolean estaVacia = true;
// Método para retirar letras del buffer
public synchronized char recoger() {
// No se puede consumir si el buffer está vacío
while( estaVacia == true )
{
try {
wait(); // Se sale cuando estaVacia cambia a false
} catch( InterruptedException e ) {
;
}
}
// Decrementa la cuenta, ya que va a consumir una letra
siguiente--;
// Comprueba si se retiró la última letra
if( siguiente == 0 )
estaVacia = true;
// El buffer no puede estar lleno, porque acabamos de consumir
estaLlena = false;
notify();
// Devuelve la letra al thread consumidor
return( buffer[siguiente] );
}
// Método para añadir letras al buffer
public synchronized void lanzar( char c ) {
// Espera hasta que haya sitio para otra letra
while( estaLlena == true )
{
try {
wait(); // Se sale cuando estaLlena cambia a false
} catch( InterruptedException e ) {
;
}
}
// Añade una letra en el primer lugar disponible
buffer[siguiente] = c;
// Cambia al siguiente lugar disponible
siguiente++;
// Comprueba si el buffer está lleno
if( siguiente == 6 )
estaLlena = true;
estaVacia = false;
notify();
}
}
En la clase Tuberia vemos dos características importantes:
los miembros dato (buffer[]) son privados, y los métodos
de acceso (lanzar() y recoger()) son sincronizados.
Aquí vemos que la variable estaVacia es un semáforo,
como los de toda la vida. La naturaleza privada de los datos evita
que el productor y el consumidor accedan directamente a éstos.
Si se permitiese el acceso directo de ambos threads a los datos,
se podrían producir problemas; por ejemplo, si el consumidor
intenta retirar datos de un buffer vacío, obtendrá
excepciones innecesarias, o se bloqueará el proceso.
Los métodos sincronizados de acceso impiden que los productores y consumidores corrompan un objeto compartido. Mientras el productor está añadiendo una letra a la tubería, el consumidor no la puede retirar y viceversa. Esta sincronización es vital para mantener la integridad de cualquier objeto compartido. No sería lo mismo sincronizar la clase en vez de los métodos, porque esto significaría que nadie puede acceder a las variables de la clase en paralelo, mientras que al sincronizar los métodos, sí pueden acceder a todas las variables que están fuera de los métodos que pertenecen a la clase.
Se pueden sincronizar incluso variables, para realizar alguna acción determinada sobre ellas, por ejemplo:
sincronized( p ) {
// aquí se colocaría el código
// los threads que estén intentando acceder a p se pararán
// y generarán una InterruptedException
}
El método notify() al final de cada método de acceso avisa a cualquier proceso que esté esperando por el objeto, entonces el proceso que ha estado esperando intentará acceder de nuevo al objeto. En el método wait() hacemos que el thread se quede a la espera de que le llegue un notify(), ya sea enviado por el thread o por el sistema.
Ahora que ya tenemos un productor, un consumidor y un objeto compartido, necesitamos una aplicación que arranque los threads y que consiga que todos hablen con el mismo objeto que están compartiendo. Esto es lo que hace el siguiente trozo de código, del fuente TubTest.java:
class TubTest {
public static void main( String args[] ) {
Tuberia t = new Tuberia();
Productor p = new Productor( t );
Consumidor c = new Consumidor( t );
p.start();
c.start();
}
}
Compilando y ejecutando esta aplicación, podremos observar nuestro modelo el pleno funcionamiento.
Los programas productor/consumidor a menudo emplean monitorización
remota, que permite al consumidor observar el thread del productor
interaccionando con un usuario o con otra parte del sistema. Por
ejemplo, en una red, un grupo de threads productores podrían
trabajar cada uno en una workstation. Los productores imprimirían
documentos, almacenando una entrada en un registro (log). Un consumidor
(o múltiples consumidores) podría procesar el registro
y realizar durante la noche un informe de la actividad de impresión
del día anterior.
Otro ejemplo, a pequeña escala podría ser el uso de varias ventanas en una workstation. Una ventana se puede usar para la entrada de información (el productor), y otra ventana reaccionaría a esa información (el consumidor).
Peer, es un observador general del sistema.
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