[código] Programación concurrente: uso de semáforos

Hablamamos en anteriores entradas acerca de la programación multihilo o concurrente en Java, e hicimos algunos ejemplos de sincronización. De nuevo veremos algo de subprocesamiento múltiple, esta vez explicando el uso de los semáforos. Primero veamos algo de teoría:

Un semáforo binario es un indicador (S) de condición que registra si un recurso está disponible o no. Un semáforo binario sólo puede tomar dos valores: 0 y 1. Si, para un semáforo binario, S = 1 entonces el recurso está disponible y la tarea lo puede utilizar; si S = 0 el recurso no está disponible y el proceso debe esperar.
Los semáforos se implementan con una cola de tareas o de condición a la cual se añaden los procesos que están en espera del recurso. Sólo se permiten tres operaciones sobre un semáforo:

• Inicializar
• Espera (wait)
• Señal (signal)

En algunos textos, se utilizan las notaciones P y V para las operaciones de espera y señal respectivamente, ya que ésta fue la notación empleada originalmente por Dijkstra (el creador de la solución) para referirse a las operaciones.

Lo importante aquí es entender de verdad cómo funcionan los semáforos en Java. Por eso, basta de práctica y vamos al código. Aún así, sería bueno que le echaras un ojo a los siguientes documentos de referencia:

• Programación Concurrente
• Book of Semaphores
• Algoritmos clásicos de concurrencia y sincronización

Problemas al NO usar semáforos

Lo primero es ver una aplicación fictica corriendo SIN el uso de los semáforos, para luego entender mejor su utilidad. Su pongamos que tenemos 4 procesos (p1, p2, p3, p4), cada proceso realiza su “tarea” simultaneamente (durante un tiempo indefinido) y posteriormente termina. Supongamos además que necesitamos que se ejecuten primero los procesos P1 y P3, y luego P2 y P4.

Tenemos entonces P1.java:

public class p1 extends Thread {
	public void run() {
		try {
			sleep((int) Math.round(500 * Math.random() - 0.5));
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("P1");
	}
}

P2.java

public class p2 extends Thread {
	public void run() {
		try {
			sleep((int) Math.round(500 * Math.random() - 0.5));
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("P2");
	}
}

P3.java

public class p3 extends Thread {
	public void run() {
		try {
			sleep((int) Math.round(500 * Math.random() - 0.5));
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("P3");
	}
}

y P4.java

public class p4 extends Thread {
	public void run() {
		try {
			sleep((int) Math.round(500 * Math.random() - 0.5));
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("P4");
	}
}

y la clase SinSemaforos.java, que lanza los subprocesos:

public class SinSemaforos {
	public static void main(String[] args) {
		(new Thread(new p1())).start();
		(new Thread(new p2())).start();
		(new Thread(new p3())).start();
		(new Thread(new p4())).start();
	}
}

Ejecutando varias veces este programa, tendremos salidas como:

# java SinSemaforos
P4
P2
P1
P3
# java SinSemaforos
P2
P1
P3
P4
# java SinSemaforos
P2
P1
P4
P3

Como puedes ver, los procesos se ejecutan sin cumplir la condición más importante: que se ejecuten primero los procesos P1 y P3, y posteriormente P2 y P4. Solucionemos esto con el uso de semáforos!

Solución usando semáforos

En este caso vamos a usar la clase Semaphore, del paquete java.util.concurrent. A darle entonces:

Tenemos entonces P1.java:

import java.util.concurrent.Semaphore;
public class p1 extends Thread  {
	protected Semaphore oFinP1;
	public p1(Semaphore oFinP1) {
		this.oFinP1 = oFinP1;
	}
	public void run()  {
		try {
			sleep((int) Math.round(500 * Math.random() - 0.5));
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("P1");
		this.oFinP1.release(2);
	}
}

P2.java

import java.util.concurrent.Semaphore;
public class p2 extends Thread  {
	protected Semaphore oFinP1;
	protected Semaphore oFinP3;
	public p2(Semaphore oFinP1,Semaphore oFinP3) {
		this.oFinP3 = oFinP3;
		this.oFinP1 = oFinP1;
	}
	public void run()  {
		try {
		this.oFinP1.acquire();
		this.oFinP3.acquire();
		} catch(Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
		try {
			sleep((int) Math.round(500 * Math.random() - 0.5));
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("P2");
	}
}

P3.java

import java.util.concurrent.Semaphore;
public class p3 extends Thread  {
	protected Semaphore oFinP3;
	public p3(Semaphore oFinP3) {
		this.oFinP3 = oFinP3;
	}
	public void run()  {
		try {
			sleep((int) Math.round(500 * Math.random() - 0.5));
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("P3");
		this.oFinP3.release(2);
	}
}

y P4.java

import java.util.concurrent.Semaphore;
public class p4 extends Thread  {
	protected Semaphore oFinP1;
	protected Semaphore oFinP3;
	public p4(Semaphore oFinP1,Semaphore oFinP3) {
		this.oFinP3 = oFinP3;
		this.oFinP1 = oFinP1;
	}
	public void run()  {
		try {
			this.oFinP1.acquire();
			this.oFinP3.acquire();
			} catch(Exception e) {
				e.printStackTrace();
			}
		try {
			sleep((int) Math.round(500 * Math.random() - 0.5));
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("P4");
	}
}

y la clase UsoSemaforos.java, que lanza los subprocesos:

import java.util.concurrent.Semaphore;
public class UsoSemaforos {
	protected static Semaphore oFinP1,oFinP3;
	public static void main(String[] args) {
		 oFinP1 = new Semaphore(0,true);
		 oFinP3 = new Semaphore(0,true);
		 (new Thread(new p1(oFinP1))).start();
		 (new Thread(new p2(oFinP1,oFinP3))).start();
		 (new Thread(new p3(oFinP3))).start();
		 (new Thread(new p4(oFinP1,oFinP3))).start();
	}
}

Ejecutando varias veces el programa, podemos ver como los subprocesos P1 y P3 se ejecutan siempre de primeras, y los procesos P2 y P4, de ultimas:

#java UsoSemaforos
P3
P1
P2
P4
#java UsoSemaforos
P1
P3
P2
P4
#java UsoSemaforos
P3
P1
P4
P2
#java UsoSemaforos
P1
P3
P4
P2

Conclusiones…

• Lo primero es el método acquire() de la clase Semaphore. Este método bloquea el semáforo premanetemente (wait); mientras que,
• el método release() de la clase Semaphore, libera el semáforo para los demás procesos (signal).

Descargar ejemplos:

• Ejemplo de programación concurrente, SIN semáforos
• Ejemplo de programación concurrente, usando semáforos

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