Javaでマルチスレッドを使用して該当文字を交互に表示したい。

Question

public class PrintThread extends Thread {

  private String message;
  private Object lock = new Object();

  public PrintThread(String message){
    this.message = message;
  }

  public void run() {
    for (int i=0 ; i<1000 ; i++){
      synchronized(lock) {
        System.out.print(message);
      }
    }
  }

  public static void main(String[] args) {
    PrintThread p1 = new PrintThread("*");
    p1.start();
    PrintThread p2 = new PrintThread("+");
    p2.start();
  }
}

実行結果例↓(実行するたびに変わる)

*********************************************+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++************************++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++***********************************+*+*************************************************************************************************************************+***++++++++++++++*++++++++++++++**********************************************************************************************************************************+*+***************************************************************++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++*++*********************************************************************************************************************************************************************************************************************************************++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++***************************************++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++***********************************+++++++**++**************++**++****+++******+++*****++++++**+++**++******++*****++**+++++***++++**++***++++++++++++++*********++***********+++**+++++++++**++******++*+++++++++++++***++++********++++++++****++**++**++++++**++************++**++****++**++++****++**++**++**++**++++++++++++++***++****++++++++**+++++********++++********+++++++++++++++***++++++**++**++*****++**++**++****+++++++++++++++++++++++++****+++++++++***++++*****+++++++++++++++******++******************++**++***************************************++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

上記のコードは、「*」と「+」を交互に表示するプログラムをしようと書いたコードです。しかし、synchronized文を上手く使うことができずに困っています。
このコードをどのように変えればよいか教えてください。理由も知りたいです。。

考察

おそらく現在のコードでは、フィールドのmessageが変わるスピードと画面表示のスピードが違うため思った通りの画面表示ができていないのだと考えています。
したがって、コンストラクタの「this.message = message」もsynchronized文の中に入れるようなコードが正しいと考えています。

Comments

[y_waiwai]

提示のコードはどういうふうに実行されるんでしょうか。

[dodox86]

> 「*」と「+」を交互に表示するプログラムをしようと書いたコードです。

なぜ、現状のコードで交互に表示すると思われたのでしょう。そういう制御はまったくされていません。

Answer 1

2つのスレッドは、自分が notify されるまで wait する。
message を表示したら、別のスレッドに notify して、また wait する。

public class PrintThread extends Thread {

	private String message;
	private Thread t;

	public PrintThread(String message) { this.message = message; }

	public void setThread(Thread t) { this.t = t; }

	public synchronized void run() {
		for (int i = 0 ; i < 1000; i++) {
			try { wait(); } catch (InterruptedException e) { }
			System.out.print(message);
			synchronized(t) { t.notify(); }
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		PrintThread p1 = new PrintThread("*");
		PrintThread p2 = new PrintThread("+");
		p1.setThread(p2);
		p2.setThread(p1);
		p1.start();
		p2.start();
		try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { }
		synchronized(p1) { p1.notify(); }
	}
}

追記
setThread が面倒なので、質問のコードにあったように
lockオブジェクトで同期を取ることにしました。

public class PrintThread extends Thread {

	private String message;
	private static Object lock = new Object();

	public PrintThread(String message) { this.message = message; }

	public void run() {
		for (int i = 0; i < 1000; i++) {
			synchronized(lock) {
				try { lock.wait(); } catch (InterruptedException e) { }
				System.out.print(message);
				lock.notify();
			}
		}
	}

	public static void main(String[]args) {
		PrintThread p1 = new PrintThread("*");
		p1.start();
		PrintThread p2 = new PrintThread("+");
		p2.start();
		try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { }
		synchronized(lock) { lock.notify(); }		
	}
}

追記2
xebme さんから指摘があり、何度も実行を繰り返して試してみたら、
*+ を 1000個出し終わる前に途中で止まってしまうことがありました。

やはり、自分のスレッドで wait して、相手のスレッドに notify する方が良いと思います。
でも、setThread は面倒なので、コンストラクタで次に実行するするスレッドの
番号を設定することにしました。

public class PrintThread extends Thread {

	private String message;
	private static Thread[] t = new Thread[2];
	private int next;

	public PrintThread(String message, int next) {
		this.message = message;
		this.next = next;
	}

	public synchronized void run() {
		for (int i = 0; i < 1000; i++) {
			try { wait(); } catch (InterruptedException e) { }
			System.out.print(message);
			synchronized(t[next]) { t[next].notify(); }
		}
	}

	public static void main(String[]args) {
		t[0] = new PrintThread("*", 1);
		t[0].start();
		t[1] = new PrintThread("+", 0);
		t[1].start();
		try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { }
		synchronized(t[0]) { t[0].notify(); }
	}
}

Comments

[xebme]

追記のコードは正しく動かないかもしれません。run()メソッド内のlock.notify()の後、２つのスレッドが平等にロックを獲得しようとします。必ずしも相手がロックを獲得するとは限りません。

[xebme]

↑正しく動きます。自分がロックを獲得するとwait()でロックが外れ、相手がロックを獲得してwait() の後の文を実行します。

[xebme]

↑正しく動きません。相手がロックを獲得してwait() の後の文を実行します。 自分はsyncronized(lock)で待ちます。ここでどちらか一方がwait()していなければならい条件が崩れます。相手がwait()の下の文を実行して、次のsynchronized(lock)に来るので、結局、両方ともwait()に入ります。

[xebme]

notify()はすぐ有効になるわけではなく、synchronizedブロックを抜けたところで有効になります。理由は、synchronizedブロック内の更新結果をキャッシュからメモリに書き戻して、他のスレッドから見えるようにするから(と思っています)。

Answer 2

Luice さんと同じ形の wait-notifyAll 版…といった所です。まだ回答に出てないようですので。
このまま 3 スレッド以上では動作できませんから notify で良いんですけども ^^;

package teratail_java.q373551;

public class PrintThread extends Thread {
  private static String[] last = new String[1];
  private String message;

  public PrintThread(String message) {
    this.message = message;
  }

  public void run() {
    try {
      for(int i=0; i<10; i++) {
        synchronized(last) {
          while(last[0] == message) last.wait();

          System.out.print(message);

          last[0] = message;
          last.notifyAll();
        }
      }
    } catch(InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }

  public static void main(String[] args) {
    PrintThread p1 = new PrintThread("*");
    p1.start();
    PrintThread p2 = new PrintThread("+");
    p2.start();
  }
}

Comments

[jimbe]

まぁまぁ簡潔なのは良いんですが、やはり開始時のタイミングが実装依存ぽいのが怖いですねぇ・・・。

Answer 3

lockオブジェクト

まだスレッドを利用する並行処理の理解ができていません。

• lockオブジェクトが2つのスレッドで別々に生成されているので排他制御できません。
• スレッドの実行は交互ではありません。次にどのスレッドが動くかは予想できないのです。

スケジューラ

交互に動かしたいなら、java.util.concurrent.CyclicBarrierを使うか、スケジューラを自作します。ここではスケジューラを自作してみましょう。

キューを使うラウンドロビンスケジューラ

wait()、notify()/notifyAll()を使用してスレッドを同期します。スレッドは実行可能になったとき、キューの先頭をみて、自分自身ならば処理を行い、キューの先頭から末尾に自分のインスタンスを移動させます。キューの先頭が自分でなければ自分の番になるまでwaitします。

package q373551;

import java.util.Deque;
import java.util.LinkedList;

public class RoundRobinScheduler {
 
  final int repeat;
  
  private boolean waitFor = true;
  private final Deque<Thread> tqueue = new LinkedList<>();
 private  int numThreads = 0;
  
  public RoundRobinScheduler(int repeat) {
    this.repeat = repeat;
  }
  
  class ScheduledTask extends Thread {
    
    final Runnable r;
    
    ScheduledTask(Runnable r) {
      this.r = r;
    }
    
    @Override
    public void run() {
      
      Thread myThread = Thread.currentThread();
      
      try {
        
        // 自分をラウンドロビンキューに登録、全てのスレッドが登録されるまで待つ
        synchronized (tqueue) {
          tqueue.addLast(myThread);
          while(waitFor) { // スケジューラーが開始するまで待つ
            try {
              tqueue.wait();
            } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
          }
        }
        
        // 処理実行(repeatだけ繰り返す)
        for (int i=0;i<repeat;i++) {
          
          // 実行がスケジュールされるまで待つ
          synchronized (tqueue) {
            while (tqueue.peek() != myThread) {
              try {
                tqueue.wait();
              } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
            }
            r.run(); // 処理実行
            tqueue.addLast(tqueue.removeFirst()); //キューの末尾に自分を移動
            tqueue.notifyAll();
          }
          
        }
      
      } finally {
        synchronized (tqueue) { // 自身をキューから削除する
          tqueue.remove(myThread);
          numThreads--;
        }
      }

    }

  }
  
  public void addTask(Runnable r) {
    numThreads++;
    new ScheduledTask(r).start();
  }
  
  public void startTasks() {
    synchronized (tqueue) {
      while (tqueue.size() != numThreads) { // 登録がすべて終わるまで待つ
        try {
          tqueue.wait(100);
        } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
      }
      waitFor = false;
      tqueue.notifyAll(); // スレッドを一斉に動かす
    }
  }
  
  public void waitTasks() {
    // 全てのタスクの終了を判定する
    synchronized (tqueue) {
      while (!tqueue.isEmpty()) { // すべて削除されるまで待つ
        try {
          tqueue.wait(100);
        } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
      }
    }
  }

}

テストコード

package q373551;

public class TestScheduler {

  public static void main(String[] args) {

    final int repeat = 4;
    RoundRobinScheduler s = new RoundRobinScheduler(repeat);

    s.addTask(()->System.out.print("**********"));
    s.addTask(()->System.out.print("++++++++++"));
    s.addTask(()->System.out.print("----------"));
    s.addTask(()->System.out.print("//////////"));
    
    s.startTasks();
    s.waitTasks();
    
    System.out.println();
    System.out.println("done.");

  }

}

java.util.concurrent.CyclicBarrierの使い方はご自分で調べてください。タスクスケジューラなども調べてみてください。

Comments

[xebme]

コードのおかしいところはあとでなおします。

[xebme]

コードを1箇所変更しましたが、あとはこのままにしておきます。

Answer 4

「*」と「+」を交互に表示する という順序性を担保するのであれば
前回と同じ文字を書こうとしたら待たせるようにすれば良いのではないでしょうか。

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class PrintThread extends Thread {

  /**
   * 前回記述した文字列を保存する.
   */
  private static String prev = "";

  private final String message;

  public PrintThread(String message) {
    this.message = message;
  }

  public void run() {
    try {
      for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        while (message.equals(prev)) {
          TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
        }
        System.out.print(message);
        prev = message;
      }
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }

  public static void main(String[] args) {
    PrintThread p1 = new PrintThread("*");
    p1.start();
    PrintThread p2 = new PrintThread("+");
    p2.start();
  }
}

一応、実現可能ではありますが、シーケンシャルな処理をスレッドで行う意味は無いので
正直無駄な処理であると思います。

Answer 5

synchronizedは、特定のコードブロックを実行するのを同時に1スレッドに限るだけです。複数のスレッドがsynchronizedの実行をどのような順番に並べるかを制御するためのものではありません。

おまけに、lockをインスタンス変数としてしまっているので、2スレッドで別なlockが使われることとなり、「同時に1スレッドに限る」効果すら出ません。

「*」と「+」を交互に表示するプログラムをしようと書いたコードです。

このような、「特定の順番で実行しなければならないコード」をマルチスレッド化しようとしても、スレッド構築のコストがかかるだけでメリットがほぼありません。シングルスレッドでやりましょう。

Comments

[maisumakun]

> フィールドのmessageが変わるスピード

変わりません（スレッドごとに1つずつ存在します）。

Answer 6

マルチスレッドによる実行は、いつ実行されるかってのは規定されません。
いつ実行されるか、どういう順序で実行されるかってのは誰にもわかりませんし、どうなっても文句は言えません

交互に実行させたいのであれば、同一スレッドで実行させましょう