Readme.md

Lab 7: Wielowątkowość

Celem laboratorium jest zapoznanie się z wątkami i innymi narzędziami do obsługi współbieżnych operacji w Javie.

Najważniejsze zadania:

1. Stworzenie SimulationEngine, który pozwoli uruchamiać symulacje asynchronicznie.
2. Rozwiązanie problemu z race condition.
3. Zastosowanie puli wątków do efektywnego zarządzania symulacjami.

Zadania do wykonania (4xp)

Uruchamianie wielu symulacji synchronicznie

1. Uruchomienie wielu symulacji jednocześnie sprawi, że ciężko będzie odróżnić na konsoli wyniki wypisywane przez nich wyniki. Dlatego konieczne jest dodanie do modelu mapy unikalnego identyfikatora - w interfejsie WorldMap zadeklaruj metodę getId() (może zwracać int, String lub - jeśli chcemy być bardzo profesjonalni -UUID). Dostarcz również konieczną implementację. Pamiętaj o zmodyfikowaniu konstruktorów obu map i zastanów się, gdzie umieścić atrybut tak, by nie powtarzać kodu.
2. W ConsoleMapDisplay dodaj wypisywanie id mapy.
3. Stwórz klasę SimulationEngine. Powinna ona w konstruktorze przyjmować listę obiektów Simulation.
4. W utworzonej klasie zdefiniuj metodę runSync(), która uruchomi po kolei wszystkie symulacje.
5. Sprawdź działanie programu dla dwóch symulacji (jednej dla RectangularMap, drugiej dla GrassField). Możesz użyć parametry symulacji z poprzednich laboratoriów (dobrze by lista ruchów miała przynajmniej kilkanaście pozycji).

Uruchamianie wielu symulacji asynchronicznie

1. Dodaj do SimulationEngine metodę runAsync(). Metoda powinna:

   1. Stworzyć osobny wątek dla każdego obiektu Simulation.
   2. Uruchomić stworzony wątek.

   Uwaga: Co należy zrobić by klasa Thread mogła przyjąć w konstruktorze obiekt Simulation?

2. Ponownie przetestuj działanie programu na dwóch symulacjach, tym razem dla metody runAsync(). Zwróć uwagę na kolejność wypisywanych aktualizacji mapy - czy różni się ona od efektu wywołania runSync()?

3. Zwróć uwagę, w którym miejscu pojawia się teraz napis System zakończył działanie (w razie potrzeby dodaj wypisywanie takiego napisu w ostatniej linii main()).

4. Dodaj do klasy SimulationEngine metodę awaitSimulationsEnd() i zastanów się, w jaki sposób zmodyfikować przygotowany mechanizm wątków tak, by wywołanie tej metody blokowało wątek, z którego została wywołana do momentu zakończenia wszystkich symulacji.

Race conditions

1. Zmodyfikuj metodę main() tak by zamiast dwóch symulacji tworzyła ich bardzo wiele w pętli (rzędu 1000 lub więcej - możesz eksperymentować z różnymi wartościami).
2. Uruchom program kilka razy i prześledź wypisywane stany mapy oraz w szczególności końcowe wartości liczników aktualizacji. Jakie problemy obserwujesz? Z czego to wynika?
3. Dokonaj koniecznych modyfikacji w programie tak by zapewnić, że każda aktualizacja mapy zostanie poprawnie i w całości wypisana.

Pula wątków

1. W SimulationEngine napisz dodatkową metodę runAsyncInThreadPool().
2. Zaimplementuj metodę tak by symulacje (niezależnie od ich liczby) były uruchamiane w puli 4 wątków. Skorzystaj z ExecutorService i pomocniczej klasy Executors.
3. Zmodyfikuj metodę awaitSimulationsEnd() tak by kończyła również działanie puli wątków i oczekiwała na zakończenie jej pracy maksymalnie 10 sekund.
4. Uruchom program i sprawdź czy działa. Warto też porównać zużycie procesora w wariancie z pulą i bez niej. Dlaczego zastosowanie puli wątków jest lepszym pomysłem niż poprzednie podejście?

Przydatne informacje

• Mechanizm wątków służy do realizacji zadań, które powinny być realizowane współbieżnie, a jeśli system posiada wiele procesorów, to również równolegle. Wykonujące wątki nawzajem nie blokują swego wykonania.

• Przykładami takich operacji może być np. dostęp do zasobu sieciowego, uruchamianie ciężkich obliczeń albo logika wykonywana w celu późniejszego zaktualizowania interfejsu graficznego.

• Domyślnie aplikacja posiada jeden wątek, który może stworzyć dowolnie wiele dodatkowych.

• Aby stworzyć wątek możemy skorzystać z klasy Thread i interfejsu Runnable.

  class SimulationEngine implements Runnable {
      @Override
      public void run() {
          System.out.println("Thread started.");
      }
  }
  
  SimulationEngine engine = new SimulationEngine();
  Thread engineThread = new Thread(engine);
  engineThread.start();

• Metody w Javie mogą posiadać dodatkowy modyfikator synchronized. Gwarantuje on, że dana metoda zostanie zawsze wywołana w całości przez dany wątek, zanim zostanie do niej dopuszczony inny, współbieżnie pracujący wątek.

• Słowo synchronized występuje również w formie bloku, pozwalającego wydzielać tzw. sekcje krytyczne jako fragment metody, np:

  // kod wywoływany współbieżnie
  synchronized(this) {
      // sekcja krytyczna - tylko jeden wątek naraz tu wejdzie
  }
  // kod wywoływany współbieżnie

• Zarządzanie wątkami ręcznie nie jest efektywne i wygodne. W profesjonalnych zastosowaniach lepiej stosować narzędzia, które robią to za nas, takie jak pule wątków. W Javie do zarządzania pulami służy ExecutorService:

   ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(8);
   executorService.submit(runnable); // task runanble wywoła się na jednym z 8 wątków lub poczeka, aż któryś się zwolni