Задачи синхронизации: классические и прикладные решения

Егор Толстой
Ведущий iOS разработчик @ Rambler&Co
Задачи синхронизации
Классические и прикладные решения

View Slide

Синхронизация
• Что такое синхронизация
• Решение проблем синхронизации
• Классические задачи
синхронизации

View Slide

• Синхронизация -  
обеспечение правильной
совместной работы нескольких
потоков.

View Slide

Алиса
Боб
Поток 1 Поток 2

View Slide

Алиса Боб

View Slide

Алиса
Боб

View Slide

• Состояние гонки -  
работа приложения зависит от
последовательности вызова
секции его кода разными
потоками.

View Slide

func incrementSharedVariable {
// counter == 0
counter += 1
}

View Slide

// counter == 0
counter += 1
}
Поток 1 Поток 2 Поток 3

View Slide

// counter == 0
counter += 1
}
counter ∈ [1,3]

View Slide

• Критическая секция -  
участок кода, в котором
одновременно может находиться
только один поток.

View Slide

lockSection()
counter += 1
unlockSection()
}

View Slide

lockSection()
counter += 1
unlockSection()
}
counter == 3

View Slide

• Deadlock -  
несколько потоков блокируют
выполнение друг друга.

View Slide

• У каждой задачи синхронизации
есть определенные условия.

View Slide

Алиса Боб

View Slide

Алиса
Боб

View Slide

Алиса Боб

View Slide

• Передача сообщений между
потоками - простое решение
большинства проблем.

View Slide

Алиса Боб
а1: Съесть завтрак
а2: Поработать
а3: Съесть обед
а4: Позвонить Бобу
б1: Съесть завтрак
б2: Дождаться звонка Алисы
б3: Съесть обед
а1 < a2 < a3 < a4 б1 < б2 < б3

View Slide

Алиса Боб
а1: Съесть завтрак
а2: Поработать
а3: Съесть обед
а4: Позвонить Бобу
б1: Съесть завтрак
б2: Дождаться звонка Алисы
б3: Съесть обед
а1 < a2 < a3 < a4 б1 < б2 < б3
б3 > б2 > a4 > a3

View Slide

• События считаются
параллельными, если, изучив код
программы, мы не можем
утверждать, какое из них
произойдет первым.

View Slide

0
Алиса
Семафор
Боб

View Slide

wait
0
Алиса
Семафор
Боб

View Slide

wait
-1
Алиса
Семафор
Боб

View Slide

signal wait
-1
Алиса
Семафор
Боб

View Slide

signal wait
0
Алиса
Семафор
Боб

View Slide

• Семафор создается с начальным
значением,
• wait - уменьшает счетчик,
• signal - увеличивает счетчик.

View Slide

• Задача "Читатели-Писатели"  
Readers-Writers problem

View Slide

• Любое количество читателей в
критической секции
• Единственный писатель в
критической секции

View Slide

1.
Семафор
"комната пуста"
off
Выключатель
"читатели"
Читатели Писатели
0

View Slide

0.
Семафор
on
"читатели"
1

View Slide

Семафор
on
"читатели"
2
0.

View Slide

Семафор
on
"читатели"
2
-1.

View Slide

Семафор
on
"читатели"
1
-1.

View Slide

Семафор
off
"читатели"
0
0.

View Slide

Семафор
off
"читатели"
0
1.

View Slide

• Голод - состояние, в котором
поток может бесконечно ждать
своей очереди.  
А может и дождаться.

View Slide

• Решение с использованием
NSOperation

View Slide

class OperationScheduler {
var readerQueue = NSOperationQueue()
var writerQueue = NSOperationQueue()
init () {
// Читатели должны выполняться параллельно
readerQueue.maxConcurrentOperationCount = MAX
// Писатели должны выполняться последовательно
writerQueue.maxConcurrentOperationCount = 1
}
...
}

View Slide

func addReaderOperation(operation: NSBlockOperation) {
// Зависим от выполнения всех писателей
for writerOperation in writerQueue.operations {
operation.addDependency(writerOperation)
}
readerQueue.addOperation(operation)
}

View Slide

func addWriterOperation(operation: NSBlockOperation) {
// Все читатели зависят от нового писателя
for readerOperation in readerQueue.operations {
readerOperation.addDependency(operation)
}
writerQueue.addOperation(operation)
}

View Slide

func readersWriters() {
let scheduler = OperationScheduler()
scheduler.addWriter()
for i in 1...5 {
scheduler.addReader(i)
}
scheduler.addWriter()
}
> writer fired
> writer fired
> reader 2 fired
> reader 3 fired
> reader 1 fired
> reader 5 fired
> reader 4 fired

View Slide

• Задача "Обедающие философы"  
Dining philosophers problem

View Slide

while(true) {
think()
getForks()
eat()
putForks()
}

View Slide

• Не больше одного философа на
вилку
• Не допустить deadlock
• Не допустить голод

View Slide

Ф.5
Ф.1
Ф.2
Ф.3
Ф.4
вилка
1
вилка
1
вилка 1 вилка
1
вилка
1

View Slide

Ф.5
Ф.1
Ф.2
Ф.3
Ф.4
вилка
0
вилка
0
0
вилка
0

View Slide

Ф.5
Ф.1
Ф.2
Ф.3
Ф.4
вилка
0
вилка
0
0
вилка
0
deadlock :(

View Slide

Ф.5
Ф.1
Ф.2
Ф.3
Ф.4
Семафор
"официант"
4
вилка
1
вилка
1
1
вилка
1

View Slide

Ф.5
Ф.1
Ф.2
Ф.3
Ф.4
Семафор
"официант"
3
вилка
1
вилка
1
1
вилка
1

View Slide

Ф.5
Ф.1
Ф.2
Ф.3
Ф.4
Семафор
"официант"
3
вилка
0
вилка
1
1
вилка
1

View Slide

Ф.5
Ф.3
Ф.4
вилка
0
вилка
1
вилка
1
Ф.2
Семафор
"официант"
2
Ф.1
1

View Slide

Ф.5
Ф.3
Ф.4
вилка
0
вилка
0
1
вилка
1
Ф.2
Семафор
"официант"
2
Ф.1

View Slide

Ф.5
Ф.3
Ф.4
вилка
0
вилка
0
1
вилка
1
Ф.2
Семафор
"официант"
1
Ф.1

View Slide

Ф.5
Ф.3
Ф.4
вилка
0
вилка
0
0
вилка
1
Ф.2
Семафор
"официант"
1
Ф.1

View Slide

Ф.5
Ф.3
Ф.4
вилка
0
вилка
0
0
вилка
1
Ф.2
Семафор
"официант"
0
Ф.1

View Slide

Ф.5
Ф.3
Ф.4
вилка
0
вилка
0
0
вилка
0
Ф.2
Семафор
"официант"
0
Ф.1

View Slide

Ф.5
Ф.3
Ф.4
вилка
0
вилка
0
0
вилка
0
Ф.2
Семафор
"официант"
1
Ф.1

View Slide

Ф.5
Ф.3
Ф.4
вилка
0
вилка
0
0
вилка
0
Ф.2
Семафор
"официант"
0
Ф.1

View Slide

Ф.5
Ф.3
Ф.4
вилка
1
вилка
0
0
вилка
0
Ф.2
Семафор
"официант"
1
Ф.1

View Slide

Ф.5
Ф.3
Ф.4
вилка
0
вилка
0
0
вилка
0
Ф.2
Семафор
"официант"
0
Ф.1

View Slide

NSOperation

View Slide

class DiningPhilosophersOperationScheduler {
var philosopherQueues = [NSOperationQueue]()
init() {
for _ in 0...4 {
let philosopherQueue = NSOperationQueue()
philosopherQueue.maxConcurrentOperationCount = 1
philosopherQueues.append(philosopherQueue)
}
}
...
}

View Slide

class PhilosopherBlockOperation: NSBlockOperation {
init(index: Int) {
super.init()
addExecutionBlock({
print("philosopher \(index) is eating")
sleep(2)
print("philosopher \(index) puts forks")
})
}
}

View Slide

func startPhilosopher(index: Int) {
let operation = PhilosopherBlockOperation(index: index)
let leftQueue = getLeftPhilosopher(index)
let leftPhilosopherEats = leftQueue.operationCount > 0
if (leftPhilosopherEats) {
for leftOperation in leftQueue.operations {
operation.addDependency(leftOperation)
}
}
// То же и для правого соседа
let currentPhilosopherQueue = philosopherQueues[index]
currentPhilosopherQueue.addOperation(operation)
}

View Slide

func diningPhilosophers() {
let scheduler =
DiningPhilosophersOperationScheduler()
scheduler.startPhilosopher(0)
}
> philosopher 0 is thinking
> philosopher 0 is eating
> philosopher 3 puts forks

View Slide

Ф.0
Ф.1
Ф.2
Ф.3
Ф.4

View Slide

• Задача "Собираем H2O"  
Building H2O problem

View Slide

• Кислород ждет двух потоков
водорода
• Водород ждет одного потока
водорода и одного - кислорода

View Slide

0
Семафор
"Кислород"
Кислород Водород
Семафор
"Водород"
0
3
Барьер

View Slide

0
Семафор
"Кислород"
Семафор
"Водород"
0
3
Барьер
О

View Slide

-1
Семафор
"Кислород"
Семафор
"Водород"
0
3
Барьер
О
H

View Slide

-1
Семафор
"Кислород"
Семафор
"Водород"
0
3
Барьер
О H

View Slide

-1
Семафор
"Кислород"
Семафор
"Водород"
-1
3
Барьер
О H

View Slide

-1
Семафор
"Кислород"
Семафор
"Водород"
-1
3
Барьер
О H
H

View Slide

-1
Семафор
"Кислород"
Семафор
"Водород"
-1
3
Барьер
О H H

View Slide

-1
Семафор
"Кислород"
Семафор
"Водород"
-2
3
Барьер
О H H

View Slide

0
Семафор
"Кислород"
Семафор
"Водород"
0
3
Барьер
О H H

View Slide

0
Семафор
"Кислород"
Семафор
"Водород"
0
0
Барьер
О H H

View Slide

0
Семафор
"Кислород"
Семафор
"Водород"
0
3
Барьер

View Slide

NSOperation

View Slide

func triggerHydrogenEvent(location: CGPoint) {
let sprite = AtomNode.atom(AtomSprite.Hydrogen, location: location)
self.addChild(sprite)
self.scheduler.addHydrogen(sprite, block: atomBlock(sprite))
}

View Slide

class H2OOperationScheduler {
let moleculeQueue = NSOperationQueue()
// Этот блок вызывается при успешном сборе молекулы H2O
var moleculeBlock: (Array) -> Void
init(H2OBlock: (Array) -> Void) {
moleculeQueue.maxConcurrentOperationCount = 1
moleculeBlock = H2OBlock
}
...
}

View Slide

func addHydrogen(node: SKSpriteNode, block: () -> Void) {
let currentMolecule = obtainMolecule { (molecule) -> Bool in
return molecule.hydrogen < 2
}
let operation = AtomOperation(node: node, block: block)
currentMolecule.addHydrogen(operation)
}

View Slide

class H2OOperation: NSOperation {
let atomQueue = NSOperationQueue()
let moleculeBlock: (Array) -> Void
var nodes = Array()
...
override var ready: Bool {
return hydrogen == 2 && oxygen == 1
}
func addHydrogen(operation: AtomOperation) {
nodes.append(operation.node)
atomQueue.addOperation(operation)
hydrogen++
}
}

View Slide

class H2OOperation: NSOperation {
...
override func main() {
atomQueue.suspended = false
atomQueue.waitUntilAllOperationsAreFinished()
self.moleculeBlock(nodes)
}
...
}

View Slide

• Синхронизация - это непросто
• Синхронизация - это интересно
• Синхронизация - это важно

View Slide

• Код примеров: 
https://github.com/rambler-
digital-solutions/synchronization-
problems

View Slide

• The Little Book of Semaphores 
Allen B. Downey 
 
http://www.greenteapress.com/
semaphores/

View Slide

Задачи синхронизации: классические и прикладные решения

Задачи синхронизации: классические и прикладные решения

Egor Tolstoy

More Decks by Egor Tolstoy

Other Decks in Technology

Featured

Transcript