На этом шаге рассмотрим синхронизацию потоков управления в UML.
Представьте себе многочисленные потоки управления в параллельной системе. Когда поток проходит через некоторую операцию, мы говорим, что эта операция является точкой выполнения. Если операция определена в некотором классе, то можно сказать, что точкой выполнения является конкретный экземпляр этого класса. В одной операции (и, стало быть, в одном объекте) могут одновременно находиться несколько потоков управления, а бывает и так, что разные потоки находятся в разных операциях, но все же в одном объекте.
Проблема возникает тогда, когда в одном объекте находятся сразу несколько потоков управления. Если не проявить осторожность, то более чем один поток может модифицировать один и тот же атрибут, что приведет к некорректному изменению состояния объекта или потере информации. Это классическая проблема взаимного исключения. Ошибки при обработке такой ситуации могут стать причиной различных видов конкуренции между потоками и их взаимной интерференции, что проявляется в сбоях параллельной системы.
Ключ к решению проблемы – сериализация доступа к критическому объекту. У данного подхода есть три разновидности, суть каждой из которых заключается в присоединении к операциям, определенным в классе, некоторых синхронизирующих свойств. UML позволяет моделировать все три возможности:
- Sequential (последовательная) – вызывающие стороны должны координировать свои действия еще до входа в вызываемый объект, так что в любой момент времени внутри объекта находится ровно один поток управления. При наличии нескольких потоков управления не могут гарантироваться семантика и целостность объекта.
- Guarded (защищенная) – семантика и целостность объекта гарантируются при наличии нескольких потоков управления путем упорядочения вызовов всех защищенных операций объекта. По существу, в каждый момент времени может выполняться одна операция над объектом, что сводит такой подход к последовательному. При этом существует опасность взаимной блокировки.
- Concurrent (параллельная) – семантика и целостность объекта при наличии нескольких потоков управления гарантируется за счет отделения операций изменения данных от операций чтения. Это достигается благодаря тщательному соблюдению правил проектирования.
Некоторые языки программирования поддерживают перечисленные конструкции непосредственно. Так в языке Java есть свойство synchronized, эквивалентное свойству concurrent в UML. В любом языке, поддерживающем параллельность, все три подхода можно реализовать с помощью семафоров (semaphores).
На рис. 1 показано, как эти свойства присоединяются к операции, – путем применения нотации, принятой в UML для ограничений.
Рис.1. Синхронизация
Обратите внимание, что одновременность должна быть объявлена отдельно как для каждой операции, так и для целого объекта. Объявление одновременности для операции означает беспроблемное единовременное выполнение ее многочисленных вызовов. Объявление одновременности для объекта позволяет вызовам разных операций выполняться одновременно и без ошибок.
С помощью ограничений можно моделировать различные вариации примитивов синхронизации. Например, можно модифицировать свойство concurrent, разрешив наличие нескольких читателей, но только одного писателя.
На следующем шаге рассмотрим моделирование множества потоков управления.
