マルチスレッドによる計算

Question

以下のようにマルチスレッドを使ってある数に１を永遠とたすプログラムを組んだのですが、スレッドが切り替わるたびに計算結果がずれてしまいます・・・
原因と解決方法を教えてください・・・

public class MessyCounter extends Thread {

	static int counter;
	private int id;
	MessyCounter(int id) {
	         this.id = id;
	}
	   public synchronized void run() {
		   while (true) {
	             System.out.println(id + ":" +counter);
	            counter++;
		   }
	}

	public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub
		Thread t[]=new Thread[4];
		for(int i=0;i<4;i++){
			t[i]=new Thread(new MessyCounter(i));
		}
		t[0].start();
		t[1].start();
		t[2].start();
		t[3].start();

	}

}

Comments

[yohhoy]

そもそも、どういう結果を望んでいる(望ましい実行結果)のでしょうか？

[snowman]

コンソールに表示されるcounterの値がしっかりと数字順に並ぶのが望ましい実行結果です。

Answer 1

Before

public synchronized void run() {
    while (true) {
        System.out.println(id + ":" + counter);
        counter++;
    }
}

After

public void run() {
    while (true) {
        displayAndIncrement(id);
    }
}

private static synchronized void displayAndIncrement(int id) {
    System.out.println(id + ":" + counter);
    counter++;
}

修正前のコードでは、MessyCounterクラスのインスタンスごとにrun()メソッドを同期化していることになります。
https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se7/html/jls-8.html#jls-8.4.3.6

For an instance method, the monitor associated with this (the object for which the method was invoked) is used.

そのため、ご提示のコードのように複数のスレッドが別々のインスタンスのrun()メソッドからcounterフィールドにアクセスした場合、
同期化されていないのと同じ結果になります。

一方、私の回答のように 同期化された staticメソッドからcounterフィールドにアクセスするようにすると、
MessyCounterクラスの Classオブジェクトによって同期化されるため、意図通りの動作になります。
上と同じリンク

For a class (static) method, the monitor associated with the Class object for the method's class is used.

Answer 2

スレッドが切り替わるたびに計算結果がずれてしまいます・・・
コンソールに表示されるcounterの値がしっかりと数字順に並ぶのが望ましい実行結果です。

(1)マルチスレッド処理に関する大きな誤解と、(2)Java言語による実装上の問題 があります。

---

(1) 一言で言ってしまえば、マルチスレッド・プログラムはあなたの考える通りには動きません。

「各スレッドの処理が同じ早さで均等に進む」「ラウンドロビン方式で1ステップづつ処理される」ことを期待されているようですが、マルチスレッド処理の一般論として、そのような実行結果になることはありません。

今回の掲示プログラムで言えば、4つのスレッドがそれぞれ変数counterをインクリメント／値を参照する タイミングを予測することは不可能 です。そのため、ありとあらゆる実行結果が起こりえます。

---

(2) Java言語では、通常のメンバ変数を複数スレッドから 同時にアクセス(読み/更新) すると、予期しない結果をもたらすことがあります。他回答にある「排他制御／同期化が必要」という指摘は、このような同時アクセスを禁止するための手段です。

Answer 3

public class MessyCounter extends Thread {
	private static int counter;
	private static final Object locker = new Object();//ロック用オブジェクト
	private final int id;// finalを追加

	MessyCounter(int id) {
		this.id = id;
	}

	public void run() {
		while (true) {
			synchronized (locker) {
				System.out.println(id + ":" + counter);
				counter++;
			}
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		Thread t[] = new Thread[4];
		for (int i = 0; i < t.length; i++) {
                        // MessyCounterはThreadを継承しているため、new Threadを削除。
			t[i] = new MessyCounter(i);
		}
		for (Thread thr : t) {
			thr.start();
		}
	}

}

Answer 4

runメソッドを「synchronized」にしているのに、排他的にcounterが加算されないことが疑問点でしょうか?どのオブジェクトについてロックを取得しようとしているかを考察いただけますと、解決の手掛かりになるかと思います。

Comments

[snowman]

すみません、こういう指示の課題を出され、スレッドについての説明もまともにないまま「あとは自分で調べるなりなんなりして頑張れ」といった感じで丸投げされてしまったためロックの仕様についてしっかりと把握していません・・・。
なのでrunについた「synchronized」については「こんな感じかな・・・？」と思い適当につけて見た次第です・・・。

[Bongo]

なんと、放任主義的な先生のようですね。
「排他制御」「マルチスレッド」などのキーワードで検索しますと、今回の課題の参考になりそうな記事が色々見つかるかと思います。言語がJavaではないものも多いかと思いますが、こういった競合回避のための方法に大きな違いはないはずです。いろいろなサイトをご覧になれば、概念の理解が進むと思います。

Answer 5

スレッドは、一つ一つ処理速度が違います。
なので、counterをアクセス時に他スレッドで足された後にアクセスするケースがズレにあたると思われます。

逆に質問しますが、同時に[0][1][2][3]が同じ値のcounterを取得するということでいいんでしょうか？
それとも[0] = 0, [1] = 1, [2] = 2, [3] = 3, [0] = 4, [1] = 5.....といったかんじでしょうか？

無理やりずらしてみました。

public class StartApp extends Thread {

	static int counter;
	private int id;

	StartApp(int id) {
		this.id = id;
	}

	public synchronized void run() {
		while (true) {
			System.out.println(id + ":" + counter);
			counter++;
			try {
				Thread.sleep(1000);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO 自動生成された catch ブロック
				e.printStackTrace();
			}

		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub
		Thread t[] = new Thread[4];
		for (int i = 0; i < 4; i++) {
			t[i] = new Thread(new StartApp(i));
		}
		try{
		t[0].start();
		Thread.sleep(100);
		t[1].start();
		Thread.sleep(100);
		t[2].start();
		Thread.sleep(100);
		t[3].start();
		Thread.sleep(100);
		} catch (InterruptedException e){

		}
	}

各スレッドの生成を遅らせて生成を試みてみました。
正直無理やり感がぬぐえないのとテスト回数が少ないので正しいかどうかはわかりませんが一応貼っておきます。

Comments

[snowman]

[0] = 0, [1] = 1, [2] = 2, [3] = 3, [0] = 4, [1] = 5.....といった感じです！