Thread Safety HashMap

Merhaba,
Bu yazida thread safe hashmap ile ilgili ornek yapacagiz.
Once thread safe olmayan bir ornek yapalim.

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class UnsafeMap {
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  Map cricketMap = new HashMap();
  cricketMap.put("Australia", 349);
  cricketMap.put("India", 257);
  ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
  Runnable task = new Runnable() {
   @Override
   public void run() {
    incrementScore(cricketMap, "India");
   }
  };
  for(int i=0; i<100 :="" ap="" cricketmap.get="" executorservice.awaittermination="" executorservice.shutdown="" executorservice.submit="" i="" inal="" incrementscore="" india="" integer="" is="" ndia="" of="" private="" score="" static="" system.out.println="" task="" timeunit.seconds="" tring="" void=""> teamMap, String team) {
  Integer score = teamMap.get(team);
  teamMap.put(team, score +1);
 }
}

Yukaridaki ornekte India nin score unu 100 arttirdik. Sonucun 258 olmasini bekliyoruz ama her seferinde baska sonuc cikiyor.

Final score of India is : 353

Final score of India is : 352

gibi. Neden ?

Cunku 

since multiple threads try to modify the HashMap concurrently, the change done by one thread gets overridden by some other thread, and the output becomes non-deterministic.

Bunu onlemek icinse ornegimizi thread safe yapalim. Yani sadece ayni anda tek bir thread erisebilsin. Bunun icin yapacagimiz iki sey sunlar olmali :

• Use the Collections.synchronizedMap() method to obtain a synchronized view of the HashMap.
• Write the increment logic inside a synchronized block.

Son halde kodumuz su sekilde olur:

import java.util.Collections;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class Safemap {
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  Map cricketScore = Collections.synchronizedMap(new HashMap());  
  cricketScore.put("Turkey", 52);
  cricketScore.put("Germany", 170);   
  //we are creating thread pool with size 10
  ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
  
  Runnable task = new Runnable() {   
   @Override
   public void run() {
    incrementScore(cricketScore, "Turkey");    
   }
  };
  for(int i=0; i<100 :="" ap="" cricketscore.get="" executorservice.awaittermination="" executorservice.shutdown="" executorservice.submit="" i="" inal="" incrementscore="" integer="" is="" of="" private="" score="" static="" system.out.println="" task="" timeunit.seconds="" tring="" turkey="" urkey="" void=""> scoreMap, String team) {
  synchronized (scoreMap) {
   Integer score = scoreMap.get(team);
   scoreMap.put(team, score +1);
  }
 }
}

Turkiyenin score unu 100 arttirdik. Threas safe oldugu icin her zaman 152 donecektir.

Final score of Turkey is : 152

Interthread Communication

Asagidaki ornegi incelemeye baslayalim.

Oncelik A adli bir classimiz var. Setleme ve getleme yapmasi icin put ve get methodlarimiz var. Her 2 methodumuz da degerlerimizi anlik olarak yazdirdik.

Daha sonra ise Producer ve Consumer adli classlarimiz var. Producer deger setlemek Consumer ise getlemek icin. Producer icinde sonsuz bir dongu var ve her seferinde degeri +1 i olarak setliyor.

Consumer icinde de sonsuz bir dongu var ve degeri get ediyor. Bu islemleri run() methodu icinde yapiyoruz. Bu run methodunun cagirilmasi icinse Thread e ihtiyacimiz var. O yuzden constuctor icinde thread olusturuyoruz ve start methodunu cagiriyoruz cunku start() methodu run i cagiracaktir.

class A{
 int num;
 // we need two methods here. one for set value and one for get the value
 public void put(int num) {
  System.out.println("Put : "+ num);
  this.num = num;
 } 
 public void get() {
  System.out.println("Get : "+ num);
 }
}
class Producer implements Runnable{ 
 A a;  
 public Producer(A a){
  this.a = a;
  // for Producer to call run method we need to create Thread. with start method, it will call run  
  Thread t = new Thread(this, "Producer");
  t.start();
 }
 public void run() {
  int i=0;
  // we have infinite loop here. every loop we set the value as i++
  while(true) {
   a.put(i++);
   try { Thread.sleep(1000); } catch(Exception e) {}
  }
 }
}
class Consumer implements Runnable{
 A a; 
 public Consumer(A a) {
  this.a = a;
  Thread t = new Thread(this, "Consumer");
  t.start();
 } 
 public void run() {
  while(true) {
   a.get();
   try { Thread.sleep(1000); } catch(Exception e) {}
  }
 }
}
public class ThreadCommunication {
 public static void main(String[] args) {
  A a = new A();
  new Producer(a);
  new Consumer(a);
 }}

Bunu calistirdigimiz da ise aldigimiz sonuca bakalim:
Put : 0
Get : 0
Get : 0
Put : 1
Put : 2
Get : 1
Put : 3
Get : 2
Put : 4
Get : 3
Put : 5
Get : 4

Gordugumuz gibi 0 icin 2 kez Get calismis. Bizim istedigimiz bu degildi. once setlesin sonra getlesin ve bu sirayla olsundu.

Bunun icin boolean bir degisken olusturacagiz ve default olarak false a setlicez.

put() icinde kontrol edelim. eger true ise yani zaten setlenmisse bizim setlememize gerek yok demektir. Bu durumda Consumer in degeri consume etmesini beklicez. Bunu wait() methodu ile yapicaz. Simdi su bilgiyi hatirlayalim.

Sleep() methodu kullandigimizda thread wait state ine gecer ve o sure bitince tekrar runnable olur. ama wait() ile oyle bir durum yok. Bekler surekli. Bu durumda bunu birilerine haber verelim ki bekledigini anlasin. Bunu notify() methodu ile yapariz.

Bunun icin haber vermemiz gereken consumer dur. Bunun icin setlendikten sonra notify() cagiriyoruz ve notify methodu consumer i notify edicek.

Simdi ayni islemleri get icin dusunelim. Eger valueSet degeri false gelirse deger setlenmemis demektir. Bu durumda setlenmemis degeri okuyamayiz. Beklememiz lazim. Kimi ? Producer i. yine wait cagirdik. Eger deger setlenmis ile okuyalim.

Ayrica wait() cagirdigimiz tum methodlarin synchronized olmasi zorundadir.

Kodumuzun son hali asagidaki gibi olacaktir.

Ayrica sleep surelerini de degistirdim. 0.5 saniyede setliyor ve consumer 2 saniyede okuyor. bu durumda consumer in okumasini beklicez, o okumadan asla setlemeye gecmicek.

class A{
 int num;
 // to keep track the value we created a boolean value
 boolean valueSet = false;
 // we need two methods here. one for set value and one for get the value
 public synchronized void put(int num) {
  while(valueSet) {
   // eger valueSet true ise deger zaten setlenmistir.
   // bir daha setlemeye gerek yok.
   // o yuzden burada beklicez yani wait cagiricaz
   // with wait method it will wait for consumer to consume the value
   
   try { wait(); } catch(Exception e) {}
  }  
  System.out.println("Put : "+ num);
  this.num = num;
  valueSet = true;
  notify();
 } 
 public synchronized void get() {
  while(!valueSet) {
   try { wait(); } catch(Exception e) {}
  }
  System.out.println("Get : "+ num);
  valueSet = false;
  notify();
 }
}
class Producer implements Runnable{ 
 A a;  
 public Producer(A a){
  this.a = a;
  // for Producer to call run method we need to create Thread. with start method, it will call run
  Thread t = new Thread(this, "Producer");
  t.start();
 }
 public void run() {
  int i=0;
  // we have infinite loop here. every loop we set the value as i++
  while(true) {
   a.put(i++);
   try { Thread.sleep(500); } catch(Exception e) {}
  }
 }
}
class Consumer implements Runnable{
 A a; 
 public Consumer(A a) {
  this.a = a;
  Thread t = new Thread(this, "Consumer");
  t.start();
 } 
 public void run() {
  while(true) {
   a.get();
   try { Thread.sleep(2000); } catch(Exception e) {}
  }
 }
}
public class ThreadCommunication {
 public static void main(String[] args) {
  A a = new A();
  new Producer(a);
  new Consumer(a);
 }}

Output:
Put : 0
Get : 0
Put : 1
Get : 1
Put : 2
Get : 2
Put : 3
Get : 3
Put : 4
Get : 4
Put : 5
Get : 5
Put : 6

Multithreading Java

5 defa Hi, 5 defa Hello yazdiralim.
package ornek01; class Hi{ public void show() { for(int i=0; i<5;i++) { System.out.println("Hi"); } } } class Hello{ public void show() { for(int i=0; i<5; i++) { System.out.println("Hello"); } } } public class ThreadExample02 { public static void main(String[] args) { Hi obj1 = new Hi(); Hello obj2 = new Hello(); obj1.show(); obj2.show(); } }


Output: Hi
Hi
Hi
Hi
Hi
Hello
Hello
Hello
Hello
Hello

Gordugumuz gibi 5 kez Hi ve Hello yazdi. Simdi ise her bir yazmadan once biraz beklesin diye bi thread sleep koyalim. 500 verdim yani 500 ms.

package ornek01; class Hi{ public void show() { for(int i=0; i<5;i++) { System.out.println("Hi"); try{Thread.sleep(500);}catch(Exception e) {} } } } class Hello{ public void show() { for(int i=0; i<5; i++) { System.out.println("Hello"); try{Thread.sleep(500);}catch(Exception e) {} } } } public class ThreadExample02 { public static void main(String[] args) { Hi obj1 = new Hi(); Hello obj2 = new Hello(); obj1.show(); obj2.show(); } }

Kodumuz bu sefer yukaridaki gibi. 500 ms arayla print ediyor. Burada belirtmek istedigimiz sey kodumuz yine ayni seyi yapiyor ancak Hi yazmasinin bitmesini bekliyor. Bitmeden Hello ya gecmiyor. Bizim istedigimiz ise ikisi ayni anda calisabilsin, birbirini bloklamasin.

O yuzden burada thread kullanacagiz. Her classimiz Thread classini extend ederse classlarimiz Thread haline gelmis olur. Eee Thread classlarinda mutlaka run() olmali ki islemimiz orada calissin. O yuzden show() metodunu run() haline getiriyoruz. ve main threadimiz obj1.start() dememiz lazim. start() cagirdigimiz anda gidip run() methodunu calistirir.

package ornek01; class Hi extends Thread{ public void run() { for(int i=0; i<5;i++) { System.out.println("Hi"); try{Thread.sleep(500);}catch(Exception e) {} } } } class Hello extends Thread{ public void run() { for(int i=0; i<5; i++) { System.out.println("Hello"); try{Thread.sleep(500);}catch(Exception e) {} } } } public class ThreadExample02 { public static void main(String[] args) { Hi obj1 = new Hi(); Hello obj2 = new Hello(); obj1.start(); obj2.start(); } }

Output  :
Hi
Hello
Hi
Hello
Hello
Hi
Hi
Hello
Hello
Hi

Gordugumuz gibi artik 2 thread birbirini beklemiyor ve ayni anda calisabiliyor. Hatta o kadar ayni ana denk gelmis ki ardarda 2 tane Hello goruyoruz. Ayni ana gelme durumlarinda schedular a gidilir ve schedular hangisi daha kisa ve kolaysa onu secer. Ancak burada 2 methodumuz da ayni islemi yaptigi icin random olarak Hello secilmis.

Interfacelerle Calismak

Javada asagidaki gibi bir kullanim yoktur.

class A extends B, C

Sadece bir tane extend edebiliriz.

O halde soyle bir sey yapmak yerine

class Ornek extends A, Thread { (hatali)

asagidaki gibi yapabiliriz.

class Ornek extends A implements Runnable {

Yani neymis : Thread olusturmanin 2 yontemi varmis.

1. extends Thread diyerek

2. implements Runnable diyerek

Hangisi isimizi gorurse onu kullanmaliyiz.

O halde ornegimizi bir de bu sekilde deneyelim.

Ancak artik classlarimiz Thread tipinde olmadigi icin obj1.start() diyemeyiz. Hata verir. Runnable da o sekilde bir method yok.

O zaman Thread olusturmamiz lazim.

Thread t1 = new Thread(obj1);
t1.start();

iste bu calisir. O halde kodumuzu duzenleyip yeniden deneyelim.

package ornek01; class Hi implements Runnable{ public void run() { for(int i=0; i<5;i++) { System.out.println("Hi"); try{Thread.sleep(500);}catch(Exception e) {} } } } class Hello implements Runnable{ public void run() { for(int i=0; i<5; i++) { System.out.println("Hello"); try{Thread.sleep(500);}catch(Exception e) {} } } } public class ThreadExample02 { public static void main(String[] args) { Hi obj1 = new Hi(); Hello obj2 = new Hello(); Thread t1 = new Thread(obj1); Thread t2 = new Thread(obj2); t1.start(); t2.start(); } }

Output:
Hi
Hello
Hello
Hi
Hello
Hi
Hi
Hello
Hello
Hi

Lambda Expressions

Simdi de bu yazmis oldugumuz daha kisa ve daha efektif hale getirmeye calisalim.

Hi ve Hello adinda iki class yazdik ve ikisinin de yaptigi sey sadece Runnable i implement etmek. O halde bunlara gerek yok.Thread icinde de ayni islemi yapabiliriz.
Thread t1 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { for(int i=0; i<5; i++) { System.out.println("Hi"); try{Thread.sleep(500);}catch(Exception e) {} } } }); t1.start();


Simdi de bunu lambda haline getirelim. Yani method isimlerine ve parantezlere gerek yok.

O durumda da soyle olur:
Thread t1 = new Thread(() -> { for(int i=0; i<5; i++) { System.out.println("Hi"); try{Thread.sleep(500);}catch(Exception e) {} } }); t1.start();

Son durumda ise kodumuz asagidaki gibi olur ve ayni islevi daha efektif olarak yapar.
public class ThreadExample02 { public static void main(String[] args) { Thread t1 = new Thread(() -> { for(int i=0; i<5; i++) { System.out.println("Hi"); try{Thread.sleep(500);}catch(Exception e) {} } }); Thread t2 = new Thread(() -> { for(int i=0; i<5; i++) { System.out.println("Hello"); try{Thread.sleep(500);}catch(Exception e) {} } }); t1.start(); t2.start(); } }

Output:

Hi
Hello
Hello
Hi
Hi
Hello
Hi
Hello
Hi
Hello

Thread Safety

Bu yazimda Thread Safety konusunu ele alacagim. Mutation diye bir kavram var ne oldugunu biliyor muyuz ? Tek tek gidelim.

Mutable ve Immutable degiskenlerden bahsedelim. Mutable degisebilen demektir. Immutable ise degismez. Ornegin javadaki String classina bakalim.

String ornek = "Gamze";
ornek.toUpperCase();
System.out.println(ornek);

Sonucun ne olmasini bekliyoruz ? Sonuc Gamze dir. Neden diyecek olursak String immutable yani degismez oldugu icin. Eger degistirmek istersek yeni bir degiskene atayarak kullanmamiz lazim.

Thread konusuna gececek olursak eger ayni anda birden fazla islem gerceklestirmek istiyorsak bunu threadler yardimiyla yapabiliriz. Her bir threadle farkli bir is yapip, birden fazla threadle isimizi gerceklestirebiliriz.

Simdi bu iki konuyu birbiriyle baglayalim. Bir program yazarken amacimiz datalari degistirmektir, cunku istedigimiz islemi bu sekilde yapabiliriz. Yani mutation bizim icin onemli. Multithreading de bizim icin onemli ki birden fazla isi ayni anda yapabilelim.

Bir tane shared datamiz oldugunu ve birden fazla thread in buna erismeye calistigini dusunelim. Tabiki get etmeye calisirken sorun yok. Ama bu threadler datayi degistirmeye calistigi anda problem ortaya cikar. Buna Race Condition denir. Java da immutable objeler thread safe dir. Zaten kimse degistiremedigi icin sorun olusturmazlar.

public class ThreadExample {
 static class Counter {
  int count;  
  public void increment() {
   count ++;
  }
 } 
 public static void main(String[] args) {
  Counter c = new Counter();
  for(int i=0; i< 2000; i++) {
   c.increment();
  }  
  System.out.println(c.count);
 }}

Ornegimizde gordugumuz gibi increment adinda bir fonksiyonumuz var. Datamizi degistirmeye calisiyor. 2000 defa datayi degistirmeye calisalim. Sonuc olarak ne bekliyoruz. 2000 

Burda bir sorun yok. Simdi burada multiple thread kullanmaya calisalim. 2 thread kullanalim ve ayni sonucu yani 2000 i elde etmeye calisalim. Bu durumda ne olmali. 1. thread i 1000, 2.threadi 1000 defa cagirdigimizda 2000 cikmasini bekleriz.

 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  Counter c = new Counter();
  Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {   
   @Override
   public void run() {
    for(int i=0; i< 1000; i++) {
     c.increment();
    }
   }
  });  
  Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {   
   @Override
   public void run() {
    for(int i=0; i< 1000; i++) {
     c.increment();
    }
   }
  });  
  thread1.start();
  thread2.start();  
  // join() cagirmamizin sebebi bu 2 thread bitene kadar beklemesi icin
  thread1.join();
  thread2.join();  
  System.out.println(c.count);
 }

2 threadimiz var ve her biri 1000 defa calisiyor. 2000 sonucunu gormeyi bekliyoruz, ama her calistirdigimizda sonuc degisiyor. 2000 de gelebiliyor 1550 de 1200 de.


Bunun sebebi datamizi degistiren increment methodunun thread safe olmamasi. Ayni anda count degiskenine 2 thread de ulasmaya calisiyor ve degeri degistiriyor.

Bunu onlemek icin 2 yontem var.

1. Synchronized  Keyword

Increment methoduna sychronized eklersek ayni anda threadin datamiza erismesine ve degistirmesine izin vermez.

public synchronized void increment() {
 count ++;
}

Bu durumda surekli 2000 sonucunu elde edebiliriz.

2. Atomic Integer

AtomicInteger count = new AtomicInteger();
public synchronized void increment() {
 count.incrementAndGet();
}

Bu 2 yontemle thread safety e erisebiliriz.