Rambler.iOS #4: Задачи синхронизации. Классические и прикладные решения

Егор Толстой Ведущий iOS разработчик @ Rambler&Co

Задачи синхронизацииКлассические и прикладные решения

Синхронизация

•Что такое синхронизация

•Решение проблем синхронизации

•Классические задачи синхронизации


•Синхронизация - обеспечение правильной совместной работы нескольких потоков.


Алиса

Боб

Поток 1 Поток 2


Алиса Боб



Алиса Боб



Алиса

Боб



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


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



Поток 1 Поток 2 Поток 3




counter ∈ [1,3]


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


func incrementSharedVariable { lockSection()

counter += 1 unlockSection()

}





}





}





}





}

counter == 3


• Deadlock - несколько потоков блокируют выполнение друг друга.


•У каждой задачи синхронизации есть определенные условия.


Алиса Боб



Алиса

Боб



Алиса

Боб



Алиса Боб



•Передача сообщений между потоками - простое решение большинства проблем.


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


Алиса Боб








а1 < a2 < a3 < a4 б1 < б2 < б3


Алиса Боб








а1 < a2 < a3 < a4 б1 < б2 < б3

б3 > б2 > a4 > a3


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


0

Алиса

Семафор

Боб


0

Алиса

Семафор

Боб


wait0

Алиса

Семафор

Боб


wait-1

Алиса

Семафор

Боб


wait-1Алиса

Семафор

Боб


signal wait-1Алиса

Семафор

Боб


signal wait0Алиса

Семафор

Боб


signal wait0

Алиса

Семафор

Боб


•Семафор создается с начальным значением,

• wait - уменьшает счетчик,

• signal - увеличивает счетчик.


•Задача "Читатели-Писатели" Readers-Writers problem


•Любое количество читателей в критической секции

•Единственный писатель в критической секции


1.

Семафор "комната пуста"

off

Выключатель "читатели"

Читатели Писатели

0


1.


off



0


1.


off



0


1.


off



0


1.


off



0


0.


on



1



on



2

0.



on



2

-1.



on



2

-1.



on



2

-1.



on



2

-1.



on



1

-1.



off



0

0.



off



0

0.



off



0

1.


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


•Решение с использованием NSOperation


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

... }


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


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


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


•Задача "Обедающие философы" Dining philosophers problem


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


•Не больше одного философа на вилку

•Не допустить deadlock

•Не допустить голод


Ф.5

Ф.1

Ф.2

Ф.3

Ф.4

вилка1

вилка

1

вилка 1 вилка

1

вилка1


Ф.5

Ф.1

Ф.2

Ф.3

Ф.4

вилка0

вилка

0


0

вилка0


Ф.5

Ф.1

Ф.2

Ф.3

Ф.4

вилка0

вилка

0


0

вилка0


Ф.5

Ф.1

Ф.2

Ф.3

Ф.4

вилка0

вилка

0


0

вилка0


Ф.5

Ф.1

Ф.2

Ф.3

Ф.4

вилка0

вилка

0


0

вилка0

deadlock :(


Ф.5

Ф.1

Ф.2

Ф.3

Ф.4

Семафор "официант"

4

вилка1

вилка

1


1

вилка1


Ф.5

Ф.1

Ф.2

Ф.3

Ф.4


3

вилка1

вилка

1


1

вилка1


Ф.5

Ф.1

Ф.2

Ф.3

Ф.4


3

вилка0

вилка

1


1

вилка1


Ф.5

Ф.3

Ф.4

вилка0

вилка


1

вилка1

Ф.2


2

Ф.1

1


Ф.5

Ф.3

Ф.4

вилка0

вилка

0


1

вилка1

Ф.2


2

Ф.1


Ф.5

Ф.3

Ф.4

вилка0

вилка

0


1

вилка1

Ф.2


1

Ф.1


Ф.5

Ф.3

Ф.4

вилка0

вилка

0


0

вилка1

Ф.2


1

Ф.1


Ф.5

Ф.3

Ф.4

вилка0

вилка

0


0

вилка1

Ф.2


0

Ф.1


Ф.5

Ф.3

Ф.4

вилка0

вилка

0


0

вилка0

Ф.2


0

Ф.1


Ф.5

Ф.3

Ф.4

вилка0

вилка

0


0

вилка0

Ф.2


1

Ф.1


Ф.5

Ф.3

Ф.4

вилка0

вилка

0


0

вилка0

Ф.2


0

Ф.1


Ф.5

Ф.3

Ф.4

вилка1

вилка

0


0

вилка0

Ф.2


1

Ф.1


Ф.5

Ф.3

Ф.4

вилка0

вилка

0


0

вилка0

Ф.2


0

Ф.1




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

... }


class PhilosopherBlockOperation: NSBlockOperation { init(index: Int) { super.init()

addExecutionBlock({ print("philosopher \(index) is eating") sleep(2) print("philosopher \(index) puts forks") }) } }


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) }


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


> 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.3Ф.4


•Задача "Собираем H2O" Building H2O problem


•Кислород ждет двух потоков водорода

•Водород ждет одного потока водорода и одного - кислорода


0

Семафор "Кислород"

Кислород Водород

Семафор "Водород"

0

3Барьер


0




0

3Барьер

О


0




0

3Барьер

О


-1




0

3Барьер

ОH


-1




0

3Барьер

О H


-1




-1

3Барьер

О H


-1




-1

3Барьер

О HH


-1




-1

3Барьер

О H H


-1




-2

3Барьер

О H H


0




0

3Барьер

О H H


0




0

3Барьер

О H H


0




0

0Барьер

О H H


0




0

0Барьер

О H H


0




0

3Барьер




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


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 } ... }


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) }


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++ } }


class H2OOperation: NSOperation { ...

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


•Синхронизация - это непросто

•Синхронизация - это интересно

•Синхронизация - это важно


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


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

Technology

Rambler.iOS #4: Задачи синхронизации. Классические и прикладные решения