Kritik Bölümler (Critical Sections) ve Veriye Erişim Yarışması (Race Condition)

Tek Thread şeklinde çalışan uygulamalar hafıza bölgesine ve diğer sistem kaynaklarına erişirken herhangi bir senkronizasyon ihtiyacı bulunmaz. Program çalışır ve kaynakları kullanır, ardından kaynakları sisteme iade eder. Fakat, çok kanallı programlamada birden fazla iş parçacığı (Thread) aynı anda ortak bir kaynağa erişmeye kalkışırlarsa bunları sırayla erişim vermek gerekecektir.

Bir iş parçacığı kaynağı kullanıyorken diğerleri onu beklemelidirler. İşte birden fazla iş parçacığının kullandığı bu paylaşımlı ortak alanlara “Critical Sections” adı verilmektedir. Buna en güzel örnek bir değişkenin değerinin değiştirilmesidir. Çünkü, değişkenin değerinin değişmesi demek hafıza bölgesinde bir değişim yapmak demektir. Böyle ortak bir kaynağı kullanan Thread’ler okuma ve yazma yaparken bu “Critical Section”’a sırayla erişmeleri gerekir.

public class QMatic implements Runnable {

	private int orderNo;
	
	public QMatic() {
		this.orderNo = 0;
	}
	
	@Override
	public void run() {
		
		// a little bit delay to see race condition!
		ThreadSleeper.sleep(50);
		
		// Critical section for all threads!
		this.orderNo = this.orderNo + 1;
		
		StringBuilder builder = new StringBuilder();
		builder.append(Thread.currentThread().getName());
		builder.append(" thread got ");
		builder.append(this.orderNo);
		builder.append(" from Qmatic!");

		System.out.println(builder.toString());
	}
}

Yukarıdaki örnekte bir banka şubesinde sıra numarası alınan bir cihaz olduğunu düşünün. Gelen müşteri sıraya göre bir fiş alıp numarasını görmektedir. “QMatic” ismindeki sınıfın içindeki “run” metodu içinde “orderNo” isimli değişkenin değeri değiştirilmektedir. Müşteriler cihaz butonuna basınca sıra numarası bir artmaktadır.

Şube içinde tek cihaz üzerinden tüm müşteriler numara alırsa sorun yoktur. Tek cihaz tek Thread! Fakat, şube müdürü verimlilik adına şube içine bu cihazlardan bir tane eklettiğini düşünün. 2 tane numara alma cihazımız oldu.

Fakat, 2 cihaz olsa da sıra numaralarını yine ardışıl ve tutarlı vermemiz gerekiyor. 2 Thread 1 Critical Section! 2 cihaz demek bizim için 2 Thread demek, sıra numarası ise bizim için “Ciritical Section” demektir. Buradaki sıra numarasını düzgün yönetmemiz gerekiyor.

Yukarıdaki örnek kodda “Critical Section” olan kısım this.orderNo = this.orderNo + 1; ifadesidir. Bu tek satırlık bir komut gibi gözükebilir ama arka planda işlemci seviyesinde bu işlem birden fazla adımdan oluşmaktadır.

• Qmatic1: this.orderNo değişkenindeki değeri hafızadan 0 olarak okur.

• Qmatic2: this.orderNo değişkenindeki değeri hafızadan 0 olarak okur.

• Qmatic2: Elindeki 0 değerine 1 ekler.

• Qmatic2: “orderNo” değişkenini 1 olarak değiştirir. orderNo değişkeninin değeri şuan 1’dir.

• Qmatic1: Elindeki 0 değerine 1 ekler.

• Qmatic1: “orderNo” değişkenini 1 olarak değiştirir. orderNo değişkeninin değeri şuan 1’dir.

Görüldüğü gibi iş parçacıkları (Thread’ler) için okuma ve yazma işlemleri senkronize edilmezse aynı sıra numarasını birden fazla kişiye verebiliriz. İşte bu olaya “Race Condition” denilmektedir. Çünkü, Thread’ler ortak kaynağa erişmek için birbiriyle yarışır.

İlk erişen işlemlerini yapmaya başlar, fakat diğer Thread’ler onun işini bitirmesini beklemezlerse yukarıdaki gibi tutarsız durumlar oluşur. Bu nedenle Thread’lerin ortak kaynağa erişimi sıralı olmalıdır.

Sonuçlar :

Thread-2 thread got 1 from Qmatic!
Thread-9 thread got 1 from Qmatic!
Thread-1 thread got 1 from Qmatic!
Thread-0 thread got 2 from Qmatic!
Thread-7 thread got 2 from Qmatic!
Thread-3 thread got 2 from Qmatic!
Thread-4 thread got 2 from Qmatic!
Thread-8 thread got 2 from Qmatic!
Thread-5 thread got 4 from Qmatic!
Thread-6 thread got 4 from Qmatic!

Java “synchronized” Anahtar Kelimesi

Hatırlatmalar:

Kritik Bölge = Thread kullanılan uygulamalarda, paylaşılan ve üzerinde işlem yapılabilen bellek bölgesine denir.

Yarış Durumu = Birden fazla threadin paylaşılan bellek bölgesine aynı anda erişip aynı anda bellek bölgesinde işlem yapması durumudur.

“Ciritical Section” olan kod bölgelerinde “Race Condition” durumuna engel olmak için kullanılabilecek yöntemlerden biri de “synchronized” anahtar kelimesidir. Bu anahtar kelime ile “Critical Section” kod bölgesi Thread’ler arasında sıralı erişime açabilabilir.

Kısaca sıralı erişim mantığı şu şekildedir. Kritik bölgeye ilk gelen thread işlem yaptığını belirtmek için bu bölgeyi kilitler. Bu sayede diğer threadler içeride bir threadin işlem yaptığını anlarlar ve işlemin bitmesini bekleyebilirler. İşlemi tamamlayan thread çıktığında kilit kaldırılır ve bekleyen threadler için tekrar işleme açılmış olur. İşlem için bekleyen başka bir thread içeriye girdiğinde tekrar kilit yapısını kullanarak erişim kısıtlaması yapar ve döngü halinde devam eder.

Örnek vermek gerekirse;

Bir threadin bir dosyaya yazma işlemi yaptığı sırada bir başka threadin de aynı işlemi yapmak istemesi gibi büyük bir problem oluşturacaktır. Böyle durumlarda kaynağa ilk ulaşan threadin işini tamamlayıncaya kadar ilgili kaynağı kilit mekanizması ile erişime kapatılması daha sonra ise tekrar erişime açılması gerekir.

Metot içerisinde synchronized kullanımı:

Bu yöntem genelde kodu başkası tarafından yazılan fakat üzerinde senkronizasyonu sağlanmak istenilen durumlarda kullanılır. Böylelikle yönetime kısmen de olsa müdahale edilmiş olunur.

metot(){
    
    synchronized(Lock objesi){
        // kritik bölgede yapılacak işlemler
    }

}

“synchronized” anahtar kelimesi bir değişkene, bir blok parçasına veya metoda verilebilir. Yukarıdaki örnek şimdi “Thread Safe” olarak yazılırsa;

public class QMatic implements Runnable {

	private int orderNo;
	
	private Object LOCK = new Object();
	
	public QMatic() {
		this.orderNo = 0;
	}
	
	@Override
	public void run() {
		
		// a little bit delay to see race condition!
		ThreadSleeper.sleep(50);
		
		// Critical section for all threads!
		
		synchronized (LOCK) {
			this.orderNo = this.orderNo + 1;
			
			StringBuilder builder = new StringBuilder();
			builder.append(Thread.currentThread().getName());
			builder.append(" thread got ");
			builder.append(this.orderNo);
			builder.append(" from Qmatic!");

			System.out.println(builder.toString());
		}
		
	}
}

QMatic isimli “Runnable” interface’den türemiş sınıfta “LOCK” isminde Object türünden bir kilit nesnesi oluşturuluyor. Ardından “Critical Section” olarak belirtilen tüm Thread’lerin ortak kullandığı “orderNo” değişkeniyle işlem yapan kod bloğunu “synchronized” anahtar kelimesiyle korumaya alıp, Thread’ler için sıralı erişime açılıyor. Eğer bir Thread “Critical Section” olarak işaretlenen kod bloğuna girip kaynakları kullanmaya başlarsa diğer Thread’ler o işini bitirene kadar beklemek zorundadırlar.

Thread-9 thread got 1 from Qmatic!
Thread-1 thread got 2 from Qmatic!
Thread-3 thread got 3 from Qmatic!
Thread-7 thread got 4 from Qmatic!
Thread-2 thread got 5 from Qmatic!
Thread-4 thread got 6 from Qmatic!
Thread-5 thread got 7 from Qmatic!
Thread-0 thread got 8 from Qmatic!
Thread-6 thread got 9 from Qmatic!
Thread-8 thread got 10 from Qmatic!

Senkronize Metotlar

Bir sınıftaki herhangi bir metod synchronized ifadesini aldığı zaman o metoda bir thread girdiğinde metodun bulunduğu obje otomatikman olarak lock mekanizması ile erişime kapatılır. Bu durumda başka bir thread o sınıf içindeki hiçbir synchronized metoda erişemez. synchronized metod üzerinde işlem yapan thread metoddan çıktığı zaman ise lock kaldırılır ve tüm obje yeniden erişilebilir hale gelir.

Görüleceği gibi "synchronized" yapısı metot içerisinde kullanıldığı gibi metodun kendisine de verilebilmektedir. Bu anahtar kelimenin yeri ise erişim belirtecinden sonra, fonksiyonun geri dönüş türünden önce olacak şekilde araya yerleştirilmelidir.

erisim_belirtesi synchronized geri_dönüş_türü fonskiyon_adı(){
    // yapılacak işlemler
}

Yukarıda “synchronized” olarak belirttiğimiz kod bloğu bir metod içine alınırsa aşağıdaki gibi yapabilir.

private synchronized void increment() {
	
	this.orderNo = this.orderNo + 1;
	
	StringBuilder builder = new StringBuilder();
	builder.append(Thread.currentThread().getName());
	builder.append(" thread got ");
	builder.append(this.orderNo);
	builder.append(" from Qmatic!");

	System.out.println(builder.toString());
}

Kaynaklar

• https://medium.com/s%C4%B1f%C4%B1rdan-i%CC%87leri-d%C3%BCzeye-java-e%C4%9Fitim-serisi/multithreaded-programlama-1-k%C4%B1s%C4%B1m-40904a219a18

• Öneri Kaynak: https://huseyin-karabakla.medium.com/