Los hilos se comunican principalmente compartiendo el acceso a los campos y los objetos a los que hacen referencia dichos campos. Aunque este esquema es extremadamente eficiente, lleva implícito dos errores potenciales:
- Interferencia de hilos (Thread interference).
- Errores de consistencia de memoria (Memory consistency errors).
Con la sincronización se pueden prevenir estos dos errores, pero también se puede incurrir en la contención de hilos, que ocurre cuando dos o más hilos tratan de acceder al mismo recurso de manera simultánea (condición de competencia) provocando que el entorno de la máquina virtual ejecute uno o más hilos más lentamente, o incluso que llegue a suspender su ejecución.
La inanición y el interbloqueo de hilos son dos formas de contención y su análisis y tratamiento quedan fuera de los alcances de este blog. Aquí sólo se proporcionarán los elementos básicos relacionados con la sincronización de hilos y la prevención de los dos errores mencionados con anterioridad.
Interferencia de hilos.
El planteamiento iniciará con el análisis de una clase extremadamente simple (Ejemplo Contador) que implementa un contador, así como su respectivo incremento, decremento y acceso a través de los métodos correspondientes.
Si sólo un hilo accede a los métodos para la modificación de c: todo trabaja como se espera; pero si un objeto de la clase Contador es referido por múltiples hilos, la interferencia entre ellos hará que las cosas se salgan de control.
La interferencia acontece cuando dos operaciones, ejecutándose en diferentes hilos pero accediendo a los mismos datos, se intercalan. Las operaciones de alto nivel que se escriben en los lenguajes de programación, por simples y sencillas que parezcan, habitualmente consisten de múltiples pasos o suboperaciones, y cuando estos pasos de traslapan o superponen los problemas emergen (condiciones de competencia).
Los detalles precisos respecto a la exactitud de cómo se descompone una operación tan simple como el incremento de una variable (c++) no son relevantes, basta con saber por ahora que dicha operación podría ser descompuesta en tres pasos (ocurre lo análogo y correspondiente para c--):
- Obtener o recuperar el valor actual de c (fetch).
- Incrementar dicho valor en 1.
- Almacenar el valor incrementado nuevamente en c.
Con base en lo anterior, supongamos ahora la existencia de dos hilos, y que el Hilo A invoca a incrementa y que casi al mismo tiempo el Hilo B invoca a decrementa. Si el valor inicial de c es 0, una posible secuencia de acciones traslapadas podría ser la siguiente:
- Hilo A: Recupera c.
- Hilo B: Recupera c.
- Hilo A: Incrementa valor recuperado; resultado: 1.
- Hilo B: Decrementa valor recuperado; resultado: -1.
- Hilo A: Almacena resultado en c; c vale ahora 1.
- Hilo B: Almacena resultado en c; c vale ahora -1.
Como puede observarse, el resultado del Hilo A se pierde: es sobre escrito por el resultado del Hilo B. Este planteamiento es sólo una combinación posible, bajo distintas circunstancias, podría ser que ahora el resultado del Hilo B sea el que se pierda o también podría darse el caso de que todo resulte bien como se espera; el resultado final es impredecible (condición de competencia).
El Ejemplo PruebaContador muestra la situación de interferencia de hilos en una ejecución con dos hilos: uno (main) incrementando 100 000 veces el contador y el otro (h) decrementando la misma cantidad de veces ¿Cuál es el resultado esperado y cuál es el que se obtiene? ¿Se generan los mismos valores o resultados en distintas ejecuciones? ¿Por qué no son cero?
Errores de consistencia de memoria.
Este tipo de errores ocurren cuando hilos diferentes tienen vistas inconsistentes de lo que deberían ser los mismos datos. Las causas de este tipo de errores son muchas y muy variadas y su análisis queda fuera de los alcances de este blog. Por ahora basta con saber que el programador debe tener consciencia de este tipo de errores para que pueda emplear una estrategia para anularlos.
La clave para anular este tipo de errores de consistencia de memoria es entender una relación denominada "sucede antes" (happens-before). Dicha relación es simplemente una garantía de que las escrituras de memoria realizadas por una declaración específica, son visibles para otra declaración específica. Para visualizar mejor esto, considere lo siguiente:
int contador = 0;. . .Hilo A: contador++;. . .Hilo B: System.out.println(contador);
Suponga que dicho contador es compartido por dos hilos A y B, y suponga también que A incrementa el contador y que poco después B imprime en la salida estándar el contador. El valor impreso por B puede ser 0 o 1, es decir: no hay garantía de que el cambio a contador por parte del hilo A sea visible para el hilo B, a menos de que el programador establezca una relación happens-before entre estas dos sentencias. La sincronización es una de las formas de crear este tipo de relación.
Java proporciona dos formas de sincronización:
- Métodos sincronizados.
- Sentencias sincronizadas.
Para que un método sea sincronizado, basta con añadir la palabra reservada synchronized a su definición, tal y como se muestra en el Ejemplo ContadorSincronizado. El hacer que los métodos sean sincronizados, tiene dos efectos para las instancias de la clase:
- No es posible el traslape para dos invocaciones de métodos sincronizados que se realicen sobre el mismo objeto. Cuando un hilo está ejecutando un método sincronizado para un objeto determinado, todos los demás hilos que invoquen métodos sincronizados para el mismo objeto se bloquean, es decir, se suspende su ejecución, hasta que el primer hilo haya terminado.
- Cuando un método sincronizado termina, automáticamente establece una relación happens-before para cualquier invocación subsecuente de un método sincronizado para el mismo objeto, lo que garantiza que los cambios al estado del objeto sean visibles para todos los hilos.
Los constructores no pueden ser sincronizados y no tendría sentido, porque sólo el hilo que crea el objeto debería tener acceso a él. De hecho esta situación se identifica como un error de sintaxis.
Los métodos sincronizados habilitan una estrategia simple para prevenir la interferencia de hilos y los errores de consistencia de memoria. Como regla general podría decirse que: si un objeto es visible por más de un hilo, todas las lecturas o escrituras a las variables (atributos) del objeto deberían ser por métodos sincronizados, con excepción quizá de los atributos final (los cuales no pueden ser modificados una vez que el objeto ha sido construido).
El Ejemplo PruebaContadorSincronizado muestra cómo podría utilizarse la clase ContadorSincronizado. Analice ambas clases y compárese con sus contra partes de la sección anterior.
Candados intrínsecos y sentencias sincronizadas.
La sincronización se construye al rededor de una entidad conocida como candado intrínseco o candado de monitor (o simplemente monitor) misma que juega un rol fundamental en dos aspectos relacionados con la sincronización:
- Hace cumplir el acceso exclusivo al estado del objeto (exclusión mutua).
- Establece y garantiza la relación happens-before esencial para la visibilidad y coherencia (consistencia de memoria).
Cada objeto tiene asociado un candado intrínseco (lo mismo que cada clase cuando se habla de métodos estáticos). Por convención, si un hilo necesita acceso exclusivo y consistente a los campos de un objeto, tiene que apropiarse de dicho candado antes de hacerlo y liberarlo al terminar.
Mientras un hilo posea el candado intrínseco, ningún otro hilo puede adquirirlo por lo que se bloqueará. Por otro lado, cuando un hilo libera un candado intrínseco, se establece una relación happens-before entre dicha acción y cualquier adquisición subsecuente del mismo candado.
Cuando un hilo invoca un método sincronizado, automáticamente adquiere el candado intrínseco para dicho objeto y lo libera cuando el hilo en cuestión termina de ejecutar el método, aun cuando la terminación se dé por una excepción no atrapada.
En este sentido, sucede que no siempre conviene que todo el método esté sincronizado debido a que se merma la concurrencia (contención de hilos); en algunos casos conviene que se sincronice sólo un bloque de código, debido a que el método podría tener también sentencias que no necesariamente acceden a datos compartidos, o que acceden a datos compartidos distintos, en cuyo caso un enfoque basado en sentencias sincronizadas sería entonces más apropiado (consulte el Ejercicio 8 de los Ejercicios selectos).
Aunque para el ejemplo que se ha venido desarrollando en esta entrada no tendría mucho sentido utilizar las sentencias sincronizadas, con la finalidad de mostrar su uso y equivalencia para este caso particular, se propone al lector la revisión, comparación y análisis del Ejemplo ContadorSincronizado2 así como su correspondiente clase de prueba del Ejemplo PruebaContadorSincronizado2.
Conclusión.
Como conclusión general es importante resaltar la importancia de la sincronización al trabajar con hilos y recursos compartidos por éstos.
De los ejemplos comentados es importante también enfatizar y no perder de vista que una clase tan simple como Contador, utilizada en un contexto de hilos compitiendo por acceso a los datos puede derivar, sin la debida sincronización, en un potencial desastre respecto a la consistencia de la memoria y la coherencia de los datos derivada de la interferencia de hilos.
Por otro lado, conviene también el tener presente que un abuso de la sincronización, pueden incurrir en la nada deseable contención de hilos, haciendo que las potenciales ventajas de la concurrencia no sólo desaparezcan sino que sean absurdas.
Finalmente aquí, como en otras tantas instancias, se manifiestan dos de esas importantes y perennes lecciones de vida:
- "Las nuevas soluciones traen consigo nuevos problemas".
- "Todo viene con su precio".
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