Javaとマルチスレッド処理
Javaのシステムはマルチスレッドです。
このことが Javaのプログラムにどう影響を与えるか、
従来のプログラミングと比べて注意すべき点について解説します。
Javaのプログラムではスレッドのコントロールは
Threadクラス
を通じて行われます。
ただし Threadクラスは多くのクラスの内部で既に呼び出されていることが多いので、
JDKのクラスライブラリを利用する場合には、
プログラムの表面に Threadが現れないこともあります。
まず次のような単純な例を見てみましょう。
/** メッセージ表示する Welcome クラス */
public class Welcome {
/** 起動時に呼び出されるメソッド */
public static void main( String argv[] ) {
System.out.println("Welcome to Wakkanai!");
}
}
この処理は単独のスレッドしかありません。したがって main()メソッドの
処理が終わればプログラムも終了します。
Cなどの場合と違いは見られません。
しかし、次の例は違います。
import java.awt.*;
/** フレームを表示する FrameTest クラス */
public class FrameTest {
public static void main( String argv[] ) {
Frame frame = new Frame("Frame Test"); // フレームの生成
frame.setSize( 400, 300 ); // フレームのサイズ指定
frame.setVisible( true ); // フレームの表示
System.out.println("main ended."); // すぐ実行される
}
}
上のプログラムは前回紹介したウィンドウを画面に表示させるプログラムです。
このプログラムの main()メソッドは最後まで実行されます。
（最後のメッセージはちゃんと表示されます。）
ところが、main()メソッドが終了しても、プログラムは終了しません。
Cなどの場合では、main()メソッドが終了したらプログラムは終了し、
せっかく表示したフレームも画面から消えてしまいます。
あるいは、
それを防ぐためには明示的にイベント処理のループを記述する必要があります。
ところが Javaの場合には、
特別な用意をしなくてもフレームの表示は消えたりはしません。
Frameのオブジェクトの管理は独立したスレッドによって処理されているからです。
上のようなウィンドウの表示、あるいは BGMの演奏など多くのケースでは、
マルチスレッドのことをあまり意識せず自然な処理にまかせてることで十分です。
ただし、時にはマルチスレッドであることを理解していないと正しく
プログラムの処理を把握できなくなる場合があります。
また、プログラムの処理のスタイル自体をマルチスレッドに合わせて記述する
必要が生じることもあります。
どのオブジェクトが新たにスレッドの処理を起動しいるかは、
プログラム内で使用されているクラスのすべてのソースファイルにさかのぼって
調べるか、あるいは VM に問い合わせるしかありません。
ここでは VM内のスレッドの状態を調べる方法を説明しておきましょう。
まず、VM内のスレッドは「スレッドグループ」という概念によって分類されて
管理されています。
このグループを取り扱うためのクラスが java.lang.ThreadGroup です。
スレッドグループはファイルシステムやJavaのパッケージと同じように
階層構造で管理されています。
ルートのスレッドグループから始めて、グループの内部にグループが存在できます。
それぞれのスレッドは同一のグループ内（下位のグループを含む）のスレッドの
情報を知ることはできますが、上位のグループをたどる必要があるグループの
スレッドの情報は手に入れることができません。
同じグループ内のアクティブなスレッドの個数は Thread クラスの
activeCount()メソッドで知ることができます。
上のサンプルに追加してみましょう。
import java.awt.*;
/** フレーム表示に伴うスレッドの個数を調べる FrameTest2 クラス */
public class FrameTest2 {
public static void main( String argv[] ) {
Frame frame = new Frame("Frame Test"); // フレームの生成
frame.setSize( 400, 300 ); // フレームのサイズ指定
frame.setVisible( true ); // フレームの表示
int num = Thread.activeCount(); // スレッドの個数を調べる
System.out.println("Thread number is " + num );
}
}
activeCount()は staticなメソッドです。
現在 CPUが実行中のスレッド
（この場合は main()の処理を元々担当しているデフォルトのスレッド）
と同じグループのスレッド数が表示されます。
Frameのオブジェクトが存在しなければ 1 のはずです。
Frameの処理を適宜コメントアウトしてみて、どの段階であらたなスレッドが
生成されるのか調べてみてください。）
マルチスレッドのプログラミングで注意が必要となるのは、
主に次の２つのケースでしょう。
- 独立したスレッドの処理が同期を取る必要がある場合
- 複数のスレッドの処理が同時に同一のデータを操作する場合
まず、第一のケースです。たとえばネットワークを通じて画像データなどを
ダウンロードする処理を独立したスレッドで行ったとしましょう。
ダウンロードの処理にどの程度の時間がかかるかは、ネットワークの混雑の程度に
大きく影響されますから、あらかじめプログラムの側で予測することはできません。
このため、画像の読み込みを待ってから表示したいような場合には、
読み込みの終了の通知を別のスレッドの処理に送る必要があります。
実際 java.awtパッケージにおいては、
イメージの読み込みを監視する機能を専門に提供する ImageObserver という
インターフェイスが存在し、Componentクラスに実装されています。
スレッドのレベルでは、Threadクラスに提供されている suspend()メソッドや
resume()メソッドを互いに呼び出すことでスレッドの同期を取ることが可能です。
ただし、互いにアクセスできるのは同一のグループのスレッド間に限ります。
たとえば、アニメーションと音声の再生を同期させるため、
アニメーションの区切りの部分で suspend()を呼び出して停止させ、
音声の再生が終了したら resume()を呼び出してアニメーションを再生する。
というような利用方法が考えられます。
以下に紹介するのは、２つのスレッドが互いに resume()を呼び出し合って、
同期を取りながら仕事をする例です。（４回ずつ交代でメッセージを表示する）
/** ２つのスレッドが同期を取って交互に処理を行うクラス */
public class ThreadTest {
public T1 t1 = new T1(); // スレッドその１
public T2 t2 = new T2(); // スレッドその２
public static void main( String argv[] ) {
ThreadTest tt = new ThreadTest();
tt.t2.start();
tt.t1.start();
}
/** スレッドを拡張した innerクラス（その１） */
class T1 extends Thread {
public void run() {
while( true ) {
for( int i=0; i<4; i++ )
System.out.println( "I am T1" );
t2.resume();
suspend();
}
}
}
/** スレッドを拡張した innerクラス（その２） */
class T2 extends Thread {
public void run() {
while( true ) {
suspend();
for( int i=0; i<4; i++ )
System.out.println( "I am T2" );
t1.resume();
}
}
}
}
もう一つのケースである、複数のスレッドによるデータへの同時のアクセスという
問題です。これは同期を取る場合とは逆で、予想外のタイミングでデータへの
同時のアクセスが発生して混乱を生じる可能性があるということです。
したがって、それを防ぐためにあらかじめデータへの保護（ロック）
の措置を用意する必要があります。
この目的のために、Javaには synchronized という修飾子が用意されています。
この修飾子はメソッドもしくはブロックに対して用いることができます。
メソッドの場合には、そのメソッドのオブジェクト自身がロックの対象となります。
ブロックの処理の場合には、synchronized の後にロックの対象となるオブジェクト
を指定することができます。
以下の例は、データへのロックによって値がおかしくならないようにコントロール
した例です。synchronized の指定をはずすとどうなるかも試してみてください。
/** マルチスレッドによるデータのアクセスを実験する MultiAccessクラス */
public class MultiAccess {
/** 変更する文字列 */
protected StringBuffer message= new StringBuffer( "Wakkanai" );
/** 最初に呼び出されるメソッド */
public static void main( String argv[] ) {
MultiAccess ma = new MultiAccess();
MessageEditor editor = ma.new MessageEditor();
MessageReader reader = ma.new MessageReader();
editor.start();
reader.start();
}
/** スレッドの処理を実行する MessageEditorクラス */
class MessageEditor extends Thread {
/** スレッドによって実行される処理（文字列を変更して、元に戻す） */
public void run(){
while( isAlive() ) {
synchronized( message ){ // messageオブジェクトにロック
message.setLength( message.length() - 1 ); //末尾の文字を削除
try{
Thread.sleep( 500 ); // 0.5秒休む
} catch( Exception e ){}
message.append( 'i' ); // 末尾に文字を追加
}
try{
Thread.sleep( 500 ); // 0.5秒休む
} catch( Exception e ){}
}
}
} // MessageEditorクラスの定義の終わり
/** スレッドの処理を実行する MessageReaderクラス */
class MessageReader extends Thread {
/** スレッドによって実行される処理 */
public void run(){
while( isAlive() ) {
try{
Thread.sleep( 800 ); // 0.8秒休む
} catch( Exception e ){}
System.out.println( message.toString() );
}
}
} // MessageReaderクラスの定義の終わり
} // MultiAccessクラスの定義の終わり