Задачи синхронизации: классические и прикладные решения

Выступление на Rambler.iOS #4:
Видео: http://www.youtube.com/watch?v=y0UQEioIgTQ
Исходники: https://github.com/rambler-digital-solutions/synchronization-problems

Transcript

1. Егор Толстой Ведущий iOS разработчик @ Rambler&Co Задачи синхронизации Классические и прикладные решения
2. Синхронизация • Что такое синхронизация • Решение проблем синхронизации • Классические задачи синхронизации
3. Синхронизация • Синхронизация - 
 обеспечение правильной совместной работы нескольких потоков.
4. Синхронизация Алиса Боб Поток 1 Поток 2
5. Синхронизация Алиса Боб Поток 1 Поток 2
6. Синхронизация Алиса Боб Поток 1 Поток 2
7. Синхронизация Алиса Боб Поток 1 Поток 2
8. Синхронизация • Состояние гонки - 
 работа приложения зависит от последовательности вызова секции его кода разными потоками.
9. Синхронизация func incrementSharedVariable { // counter == 0 counter += 1 }
10. Синхронизация func incrementSharedVariable { // counter == 0 counter += 1 } Поток 1 Поток 2 Поток 3
11. Синхронизация func incrementSharedVariable { // counter == 0 counter += 1 } Поток 1 Поток 2 Поток 3 counter ∈ [1,3]
12. Синхронизация • Критическая секция - 
 участок кода, в котором одновременно может находиться только один поток.
13. Синхронизация func incrementSharedVariable { lockSection() counter += 1 unlockSection() }
14. Синхронизация Поток 1 Поток 2 Поток 3 func incrementSharedVariable { lockSection() counter += 1 unlockSection() }
15. Синхронизация Поток 1 Поток 2 Поток 3 func incrementSharedVariable { lockSection() counter += 1 unlockSection() }
16. Синхронизация Поток 1 Поток 2 Поток 3 func incrementSharedVariable { lockSection() counter += 1 unlockSection() }
17. Синхронизация Поток 1 Поток 2 Поток 3 func incrementSharedVariable { lockSection() counter += 1 unlockSection() } counter == 3
18. Синхронизация • Deadlock - 
 несколько потоков блокируют выполнение друг друга.
19. Синхронизация • У каждой задачи синхронизации есть определенные условия.
20. Синхронизация Алиса Боб Поток 1 Поток 2
21. Синхронизация Алиса Боб Поток 1 Поток 2
22. Синхронизация Алиса Боб Поток 1 Поток 2
23. Синхронизация Алиса Боб Поток 1 Поток 2
24. Синхронизация • Передача сообщений между потоками - простое решение большинства проблем.
25. Синхронизация 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
26. Синхронизация 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
27. Синхронизация 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
28. Синхронизация • События считаются параллельными, если, изучив код программы, мы не можем утверждать, какое из них произойдет первым.
29. Синхронизация 0 Алиса Семафор Боб
30. Синхронизация 0 Алиса Семафор Боб
31. Синхронизация wait 0 Алиса Семафор Боб
32. Синхронизация wait -1 Алиса Семафор Боб
33. Синхронизация wait -1 Алиса Семафор Боб
34. Синхронизация signal wait -1 Алиса Семафор Боб
35. Синхронизация signal wait 0 Алиса Семафор Боб
36. Синхронизация signal wait 0 Алиса Семафор Боб
37. Синхронизация • Семафор создается с начальным значением, • wait - уменьшает счетчик, • signal - увеличивает счетчик.
38. Синхронизация • Задача "Читатели-Писатели" 
 Readers-Writers problem
39. Синхронизация • Любое количество читателей в критической секции • Единственный писатель в критической секции
40. Синхронизация 1. Семафор "комната пуста" off Выключатель "читатели" Читатели Писатели 0
41. Синхронизация 1. Семафор "комната пуста" off Выключатель "читатели" Читатели Писатели 0
42. Синхронизация 1. Семафор "комната пуста" off Выключатель "читатели" Читатели Писатели 0
43. Синхронизация 1. Семафор "комната пуста" off Выключатель "читатели" Читатели Писатели 0
44. Синхронизация 1. Семафор "комната пуста" off Выключатель "читатели" Читатели Писатели 0
45. Синхронизация 0. Семафор "комната пуста" on Выключатель "читатели" Читатели Писатели 1
46. Синхронизация Семафор "комната пуста" on Выключатель "читатели" Читатели Писатели 2 0.
47. Синхронизация Семафор "комната пуста" on Выключатель "читатели" Читатели Писатели 2 -1.
48. Синхронизация Семафор "комната пуста" on Выключатель "читатели" Читатели Писатели 2 -1.
49. Синхронизация Семафор "комната пуста" on Выключатель "читатели" Читатели Писатели 2 -1.
50. Синхронизация Семафор "комната пуста" on Выключатель "читатели" Читатели Писатели 2 -1.
51. Синхронизация Семафор "комната пуста" on Выключатель "читатели" Читатели Писатели 1 -1.
52. Синхронизация Семафор "комната пуста" off Выключатель "читатели" Читатели Писатели 0 0.
53. Синхронизация Семафор "комната пуста" off Выключатель "читатели" Читатели Писатели 0 0.
54. Синхронизация Семафор "комната пуста" off Выключатель "читатели" Читатели Писатели 0 1.
55. Синхронизация • Голод - состояние, в котором поток может бесконечно ждать своей очереди. 
 А может и дождаться.
56. Синхронизация • Решение с использованием NSOperation
57. Синхронизация class OperationScheduler { var readerQueue = NSOperationQueue() var writerQueue = NSOperationQueue() init () { // Читатели должны выполняться параллельно readerQueue.maxConcurrentOperationCount = MAX // Писатели должны выполняться последовательно writerQueue.maxConcurrentOperationCount = 1 } ... }
58. Синхронизация func addReaderOperation(operation: NSBlockOperation) { // Зависим от выполнения всех писателей for writerOperation in writerQueue.operations { operation.addDependency(writerOperation) } readerQueue.addOperation(operation) }
59. Синхронизация func addWriterOperation(operation: NSBlockOperation) { // Все читатели зависят от нового писателя for readerOperation in readerQueue.operations { readerOperation.addDependency(operation) } writerQueue.addOperation(operation) }
60. Синхронизация 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
61. Синхронизация • Задача "Обедающие философы" 
 Dining philosophers problem
62. Синхронизация while(true) { think() getForks() eat() putForks() }
63. Синхронизация • Не больше одного философа на вилку • Не допустить deadlock • Не допустить голод
64. Синхронизация Ф.5 Ф.1 Ф.2 Ф.3 Ф.4 вилка 1 вилка 1 вилка 1 вилка 1 вилка 1
65. Синхронизация Ф.5 Ф.1 Ф.2 Ф.3 Ф.4 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0
66. Синхронизация Ф.5 Ф.1 Ф.2 Ф.3 Ф.4 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0
67. Синхронизация Ф.5 Ф.1 Ф.2 Ф.3 Ф.4 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0
68. Синхронизация Ф.5 Ф.1 Ф.2 Ф.3 Ф.4 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0 deadlock :(
69. Синхронизация Ф.5 Ф.1 Ф.2 Ф.3 Ф.4 Семафор "официант" 4 вилка 1 вилка 1 вилка 1 вилка 1 вилка 1
70. Синхронизация Ф.5 Ф.1 Ф.2 Ф.3 Ф.4 Семафор "официант" 3 вилка 1 вилка 1 вилка 1 вилка 1 вилка 1
71. Синхронизация Ф.5 Ф.1 Ф.2 Ф.3 Ф.4 Семафор "официант" 3 вилка 0 вилка 1 вилка 0 вилка 1 вилка 1
72. Синхронизация Ф.5 Ф.3 Ф.4 вилка 0 вилка вилка 0 вилка 1 вилка 1 Ф.2 Семафор "официант" 2 Ф.1 1
73. Синхронизация Ф.5 Ф.3 Ф.4 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 1 вилка 1 Ф.2 Семафор "официант" 2 Ф.1
74. Синхронизация Ф.5 Ф.3 Ф.4 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 1 вилка 1 Ф.2 Семафор "официант" 1 Ф.1
75. Синхронизация Ф.5 Ф.3 Ф.4 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 1 Ф.2 Семафор "официант" 1 Ф.1
76. Синхронизация Ф.5 Ф.3 Ф.4 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 1 Ф.2 Семафор "официант" 0 Ф.1
77. Синхронизация Ф.5 Ф.3 Ф.4 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0 Ф.2 Семафор "официант" 0 Ф.1
78. Синхронизация Ф.5 Ф.3 Ф.4 вилка 0 вилка 0 вилка 1 вилка 0 вилка 0 Ф.2 Семафор "официант" 1 Ф.1
79. Синхронизация Ф.5 Ф.3 Ф.4 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0 Ф.2 Семафор "официант" 0 Ф.1
80. Синхронизация Ф.5 Ф.3 Ф.4 вилка 1 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0 Ф.2 Семафор "официант" 1 Ф.1
81. Синхронизация Ф.5 Ф.3 Ф.4 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0 вилка 0 Ф.2 Семафор "официант" 0 Ф.1
82. Синхронизация • Решение с использованием NSOperation
83. Синхронизация class DiningPhilosophersOperationScheduler { var philosopherQueues = [NSOperationQueue]() init() { for _ in 0...4 { let philosopherQueue = NSOperationQueue() philosopherQueue.maxConcurrentOperationCount = 1 philosopherQueues.append(philosopherQueue) } } ... }
84. Синхронизация class PhilosopherBlockOperation: NSBlockOperation { init(index: Int) { super.init() addExecutionBlock({ print("philosopher \(index) is eating") sleep(2) print("philosopher \(index) puts forks") }) } }
85. Синхронизация 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) }
86. Синхронизация func diningPhilosophers() { let scheduler = DiningPhilosophersOperationScheduler() scheduler.startPhilosopher(0) scheduler.startPhilosopher(3) scheduler.startPhilosopher(2) scheduler.startPhilosopher(1) scheduler.startPhilosopher(4) } > philosopher 0 is thinking > philosopher 0 is eating > philosopher 3 is thinking > philosopher 3 is eating > philosopher 2 is thinking > philosopher 1 is thinking > philosopher 4 is thinking > philosopher 3 puts forks > philosopher 0 puts forks > philosopher 2 is eating > philosopher 4 is eating > philosopher 2 puts forks > philosopher 4 puts forks > philosopher 1 is eating > philosopher 1 puts forks
87. Синхронизация > philosopher 0 is thinking > philosopher 0 is eating > philosopher 3 is thinking > philosopher 3 is eating > philosopher 2 is thinking > philosopher 1 is thinking > philosopher 4 is thinking > philosopher 3 puts forks > philosopher 0 puts forks > philosopher 2 is eating > philosopher 4 is eating > philosopher 2 puts forks > philosopher 4 puts forks > philosopher 1 is eating > philosopher 1 puts forks Ф.0 Ф.1 Ф.2 Ф.3 Ф.4
88. Синхронизация • Задача "Собираем H2O" 
 Building H2O problem
89. Синхронизация • Кислород ждет двух потоков водорода • Водород ждет одного потока водорода и одного - кислорода
90. Синхронизация 0 Семафор "Кислород" Кислород Водород Семафор "Водород" 0 3 Барьер
91. Синхронизация 0 Семафор "Кислород" Кислород Водород Семафор "Водород" 0 3 Барьер О
92. Синхронизация 0 Семафор "Кислород" Кислород Водород Семафор "Водород" 0 3 Барьер О
93. Синхронизация -1 Семафор "Кислород" Кислород Водород Семафор "Водород" 0 3 Барьер О H
94. Синхронизация -1 Семафор "Кислород" Кислород Водород Семафор "Водород" 0 3 Барьер О H
95. Синхронизация -1 Семафор "Кислород" Кислород Водород Семафор "Водород" -1 3 Барьер О H
96. Синхронизация -1 Семафор "Кислород" Кислород Водород Семафор "Водород" -1 3 Барьер О H H
97. Синхронизация -1 Семафор "Кислород" Кислород Водород Семафор "Водород" -1 3 Барьер О H H
98. Синхронизация -1 Семафор "Кислород" Кислород Водород Семафор "Водород" -2 3 Барьер О H H
99. Синхронизация 0 Семафор "Кислород" Кислород Водород Семафор "Водород" 0 3 Барьер О H H
100. Синхронизация 0 Семафор "Кислород" Кислород Водород Семафор "Водород" 0 3 Барьер О H H
101. Синхронизация 0 Семафор "Кислород" Кислород Водород Семафор "Водород" 0 0 Барьер О H H
102. Синхронизация 0 Семафор "Кислород" Кислород Водород Семафор "Водород" 0 0 Барьер О H H
103. Синхронизация 0 Семафор "Кислород" Кислород Водород Семафор "Водород" 0 3 Барьер
104. Синхронизация • Решение с использованием NSOperation
105. Синхронизация func triggerHydrogenEvent(location: CGPoint) { let sprite = AtomNode.atom(AtomSprite.Hydrogen, location: location) self.addChild(sprite) self.scheduler.addHydrogen(sprite, block: atomBlock(sprite)) }
106. Синхронизация class H2OOperationScheduler { let moleculeQueue = NSOperationQueue() // Этот блок вызывается при успешном сборе молекулы H2O var moleculeBlock: (Array<SKSpriteNode>) -> Void init(H2OBlock: (Array<SKSpriteNode>) -> Void) { moleculeQueue.maxConcurrentOperationCount = 1 moleculeBlock = H2OBlock } ... }
107. Синхронизация 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) }
108. Синхронизация class H2OOperation: NSOperation { let atomQueue = NSOperationQueue() let moleculeBlock: (Array<SKSpriteNode>) -> Void var nodes = Array<SKSpriteNode>() ... override var ready: Bool { return hydrogen == 2 && oxygen == 1 } func addHydrogen(operation: AtomOperation) { nodes.append(operation.node) atomQueue.addOperation(operation) hydrogen++ } }
109. Синхронизация class H2OOperation: NSOperation { ... override func main() { atomQueue.suspended = false atomQueue.waitUntilAllOperationsAreFinished() self.moleculeBlock(nodes) } ... }
110. Синхронизация • Синхронизация - это непросто • Синхронизация - это интересно • Синхронизация - это важно
111. Синхронизация • Код примеров:
 https://github.com/rambler- digital-solutions/synchronization- problems
112. Синхронизация • The Little Book of Semaphores
 Allen B. Downey
 
 http://www.greenteapress.com/ semaphores/