Laboratorium 12 Wątki - operacje równoległe, winda

Zrealizujemy przykład, w którym obliczana będzie średnia wartości zgromadzonych w tablicy.

Zadeklaruj klasę Mean, której statycznym atrybutem będzie tablica double[] wypełniona losowymi elementami. W testowanych przykładach ta tablica będzie długa, np. będzie miała 100 mln. elementów.

public class Mean {
    static double[] array;
    static void initArray(int size){
        array = new double[size];
        for(int i=0;i<size;i++){
            array[i]= Math.random()*size/(i+1);
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        initArray(100000000);
    }
 
}

Wątek MeanCalc otrzyma w konstruktorze dwa indeksy: start i end i obliczy średnią dla elementów tablicy array pomiędzy start(włącznie) i end (wyłącznie). Zakładając, że tablicę podzielimy na bloki tej samej długości i każdy z nich będzie obsłużony przez jeden wątek, będzie mozna następnie obliczyć średnią z wartości zwróconych przez poszczególne wątki. Zadeklaruj MeanCalc jako klasę zagnieżdżoną wewnątrz Mean

    static class MeanCalc extends Thread{
        private final int start;
        private final int end;
        double mean = 0;
 
        MeanCalc(int start, int end){
            this.start = start;
            this.end=end;
        }
        public void run(){
            // ??? liczymy średnią
            System.out.printf(Locale.US,"%d-%d mean=%f\n",start,end,mean);
        }
    }

Napisz funkcję parallelMean()

    /**
     * Oblicza średnią wartości elementów tablicy array uruchamiając równolegle działające wątki. 
     * Wypisuje czasy operacji
     * @param cnt - liczba wątków
     */
    static void parallelMean(int cnt){
        // utwórz tablicę wątków
        MeanCalc threads[]=new MeanCalc[cnt];
        // utwórz wątki, podziel tablice na równe bloki i przekaż indeksy do wątków
        // załóż, że array.length dzieli się przez cnt)
        double t1 = System.nanoTime()/1e6;
        //uruchom wątki
        double t2 = System.nanoTime()/1e6;
        // czekaj na ich zakończenie używając metody ''join''
        for(MeanCalc mc:threads) {
                mc.join();
        }
        // oblicz średnią ze średnich
        double t3 = System.nanoTime()/1e6;
        System.out.printf(Locale.US,"size = %d cnt=%d >  t2-t1=%f t3-t1=%f mean=%f\n",
            array.length, 
            cnt,
            t2-t1,
            t3-t1,
            mean);
    }

Wywołaj w main() funkcje initArray() i parallelMean() z różnymi parametrami i porównaj czasy.

Synchronizacja za pomocą join() nie jest szczególnie wygodna. Bardziej naturalne jest użycie

• semafora (jezeli zalezy nam wyłącznie na synchronizacji)
• kolejki wiadomości, jeżeli zainteresowani jesteśmy rezultatami obliczonymi przez wątki

Wypróbujemy rozwiązanie z kolejką. Kolejka ma dwie interesujące nas metody:

• put() - dodaje element do kolejki, blokuje wątek jeśli jest pełna
• take() - zwraca element z kolejki, blokuje wątek, jeśli jest pusta

Zadeklaruj w klasie Mean

    static BlockingQueue<Double> results = new ArrayBlockingQueue<Double>(100);

Umieść w klasie MeanCalc – po wyznaczeniu częściowej średniej prześlij ją do kolejki.

Umieść w parallelMean() po uruchomieniu wątków.

• W pętli odczytaj tyle wartości z kolejki, ile uruchomiłeś wątków.
• Wyznacz średnią z tych wartości

    public static void main(String[] args) {
        initArray(128000000);
        for(int cnt:new int[]{1,2,4,8,16,32,64,128}){
            parallelMean(cnt);
        }
    }

Sprawdź, czy dla każdej wartości cnt uzyskiwana jest ta sama średnia…

Sterowniki urządzeń są typowym przykładem systemów, które są implementowane jako programy współbieżne. Należą do nich, na przykład: systemy dostępu, automatyczny parking, inteligentny dom, sprzęt AGD i RTV, systemy alarmowe, elektronika samochodu, urządzenia medyczne.

Zazwyczaj takie systemy implementuje się w postaci kilku(nastu) komunikujących się wątków (zadań) działających nieprzerwanie. Są one odpowiedzialne za reakcje na zdarzenia generowane przez urządzenia wejściowe (przyciski i czujniki) oraz realizację sterowania i generację akcji wyjściowych.

Często stosowane są dwa wzorce komunikacji.

1. Każdy z wątków ma własną wejściową kolejkę komunikatów. Wątek czeka na pojawienie się komunikatu w kolejce, po jego pojawieniu się wątek zostaje odblokowany przez system operacyjny, obsługuje komunikat i przechodzi z powrotem w stan oczekiwania (zablokowania)
2. Watki korzystają z dzielonej pamięci (np. tablic umieszczonych w pamięci). Dostęp do tych danych wymaga jednak zastosowania mechanizmu wzajemnego wykluczania. Wątki mogą realizować dostęp cyklicznie (np. sprawdzać co 500ms, jaki jest stan pamięci).

Zrealizujemy przykład sterownika windy. Obiekty składowe pokazane są na rysunku.

• ElevatorStops – klasa zawiera dwie tablice boolean[]. Jedna przechowuje informacje o wezwaniach przy ruchu w góre, druga przy ruchu w dół. Jest to dzielony zasób, dostęp do niego powinien być zabezpieczony.
• ElevatorCar – jest to właściwy sterownik kabiny windy. Odczytuje cyklicznie dane w ElevatorStops i podejmuje decyzje o ruchu lub zatrzymaniu
• Winda ma dwa panele: wewnętrzny i zewnętrzne (na każdym piętrze). Nacisnięcie przycisku na panelu zewnętrznym (wewnętrznym) powoduje przesłanie komunikatu do kolejki wejściowej wątku ExternalPanelsAgent (lub odpowiednio InternalPanelAgent).
• Wątek ExternalPanelsAgent oczekuje na komunikat w kolejce. Po jego pojawieniu się zapisuje wezwanie do jednej z tablic w ElevatorStops.
• Wątek InternalPanelAgent działa analogicznie
• Tak naprawdę (co nie jest widoczne) zmienną dzieloną jest także aktualny numer pietra będący atrybutem klasy ElevatorCar

Kod jest prawie gotowy…

Do uzupełnienia Dodaj elementy, które zagwarantują, że klasa będzie singletonem

• nie można utworzyć obiektu klasy na zewnątrz
• funkcja get() ma zwracać jedyną instancję klasy

public class ElevatorStops {
    static final int FLOORS = 10;
    static final int MIN_FLOOR = 0;
    static final int MAX_FLOOR=FLOORS-1;
    boolean stopsDown[] = new boolean[FLOORS];
    boolean stopsUp[] = new boolean[FLOORS];
 
 
    void setLiftStopUp(int floor){
        stopsUp[floor]=true;
    }
    void setLiftStopDown(int floor){
        stopsDown[floor]=true;
    }
    void clearStopUp(int floor){
        stopsUp[floor]=false;
    }
    void clearStopDown(int floor){
        stopsDown[floor]=false;
    }
 
 
    boolean hasStopAbove(int floor){
        for(int i=floor+1;i<MAX_FLOOR;i++){
            if(stopsUp[i] || stopsDown[i])return true;
        }
        return false;
    }
    boolean hasStopBelow(int floor){
        for(int i=floor-1;i>=MIN_FLOOR;i--){
            if(stopsUp[i] || stopsDown[i])return true;
        }
        return false;
 
    }
 
    int getMaxSetFloor(){
        for(int i=MAX_FLOOR-1;i>=0;i--){
            if(stopsUp[i]||stopsDown[i])return i;
        }
        return 0;
    }
    int getMinSetFloor(){
        for(int i=0;i<MAX_FLOOR;i++){
            if(stopsUp[i]||stopsDown[i])return i;
        }
        return 0;
    }
 
    boolean whileMovingDownSholudStopAt(int floor){
        return stopsDown[floor];
    }
    boolean whileMovingUpSholudStopAt(int floor){
        return stopsUp[floor];
    }
    static ElevatorStops get(){
        return ???
    }
}

ElevatorStops jest dzielonym zasobem. Przy dostępie współbieżnym potencjalnie istnieje ryzyko wprowadzenia zasobu w stan niespójności. Tutaj ryzyko jest niewielkie, ponieważ są to tablice boolean[], w których zmieniane lub odczytywane są pojedyncze wartości. Gdyby jednak zasób miał zostać zabezpieczony, stosowanym w Javie rozwiązaniem jest zadeklarowanie metod dostępu jako synchroniczne (słowo kluczowe synchronized). Jakie byłyby konsekwencje zmiany sposobu implementacji?

W obiekcie klasy jest przechowywana informacja o numerze pietra (atrybut floor).

Stan obiektu jest kombinacją dwóch zbiorów stanów:

• Kierunku ruchu enum Tour {UP, DOWN}
• Stanu ruchu lub spoczynku enum Movement {STOP,MOVING};

public class ElevatorCar extends Thread{
    int floor=0;
 
    public int getFloor() {
        return floor;
    }
 
    enum Tour {UP, DOWN};
    Tour tour = Tour.UP;
    enum Movement {STOP,MOVING};
    Movement movementState = Movement.STOP;
}

Sterowanie jest zrealizowane wewnątrz metody run(). Sterownik windy powinien

• w zależności od stanu windy: floor, tour i movementState
• w zalezności od stanu zgłoszeń ElevatorStops
• podejmować decyzje o kierunku jazdy i czy winda ma być w ruchu

Zasady:

• winda jadąc w górę zatrzymuje się w miejscach zgłoszeń w górę
• po dojechaniu do ostatniego zmienia kierunek i zaczyna realizować zlecenia w dół
• jeżeli nie ma wezwań, winda stoi (inna polityka: zjeżdża na parter)

    public void run(){
        for(;;){
            //sleep(500);
 
        }
    }

Klasa definiuje zagnieżdżoną klasę komunikatów ExternalCall, które mają trafiać do kolejki wejściowej. Ponieważ potrzebuje informacji o pietrze - odczytuje wartość floor z ElevatorCar.

public class ExternalPanelsAgent extends Thread{
 
    private final ElevatorCar elevatorCar;
 
    static class ExternalCall{
        private final int atFloor;
        private final boolean directionUp;
 
        ExternalCall(int atFloor,boolean directionUp){
            this.atFloor = atFloor;
            this.directionUp = directionUp;
        }
    }
    BlockingQueue<ExternalCall> input = new ArrayBlockingQueue<ExternalCall>(100);
    ExternalPanelsAgent(ElevatorCar elevatorCar){
        this.elevatorCar = elevatorCar;
    }
 
    public void run(){
        for(;;){
            ExternalCall ec = ec = input.take();
            // ignorujemy wezwanie na piętro, na którym winda się znajduje 
            if(ec.atFloor==elevatorCar.getFloor())continue;
            // dodajemy do jednej z tablic zgłoszeń
            if(ec.directionUp){
                ElevatorStops.get().setLiftStopUp(ec.atFloor);
            }else{
                ElevatorStops.get().setLiftStopDown(ec.atFloor);
            }
        }
    }
}

Napisz ją w podobny sposób

public class InternalPanelAgent extends Thread {
    static class InternalCall{
        private final int toFloor;
        InternalCall(int toFloor){
            this.toFloor = toFloor;
        }
    }
 
    InternalPanelAgent(ElevatorCar elevatorCar){
        this.elevatorCar = elevatorCar;
    }
 
    BlockingQueue<InternalCall> input = new ArrayBlockingQueue<>(100);
    ElevatorCar elevatorCar;
 
    public void run(){
        for(;;){
          // odczytaj wezwanie z kolejki
          // w zależności od aktualnego piętra, na którym jest winda,  
          // umieść przystanek w odpowiedniej tablicy ''EleveatorStops'' 
        }
    }
 
}

Klasa Elevator łączy wszystkie elementy

public class Elevator {
    // tworzymy 3 wątki
    static ElevatorCar car = new ElevatorCar();
    static ExternalPanelsAgent externalPanelAgent = new ExternalPanelsAgent(car);
    static InternalPanelAgent internalPanelAgent = new InternalPanelAgent(car);
 
    // symulacja przywołania windy z panelu zewnętrznego 
    static void makeExternalCall(int atFloor,boolean directionUp){
        try {
            externalPanelAgent.input.put(new ExternalPanelsAgent.ExternalCall(atFloor,directionUp));
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
 
    // symulacja wyboru pietra w panelu wewnętrznym 
    static void makeInternalCall(int toFloor){
        try {
            internalPanelAgent.input.put(new InternalPanelAgent.InternalCall(toFloor));
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    // uruchomienie wątków
    static void init(){
        car.start();
        externalPanelAgent.start();
        internalPanelAgent.start();
    }
 
    // miesjce na kod testowy
    public static void main(String[] args) {
        init();
        makeExternalCall(4,false);
        Thread.currentThread().sleep(100);
        makeInternalCall(2);
    }
}

Przetestuj różne sekwencje wywołań i sprawdź czy wina zachowuje się poprawnie. Napisz co najmniej 5 różnych scenariuszy (sekwencji wywołań). W przypadku błędnego działania - popraw kod w ElevatorCar.

Winda powinna:

• Jadąc do góry:
  • zatrzymywać się na piętrach, na których na panelu zewnętrznym wybrano kierunek jazdy do góry
  • zatrzymywać się na pietrach wybranych na panelu wewnętrznym
  • wybrane wewnątrz pietra poniżej bieżącego wprowadzać do tablicy przystanków podczas jazdy w dół
• Analogicznie, podczas jazdy w dół