JAVA – Çok kanallı (Multi-Threaded) programlama

Yazdığım 15 kadar Java makalesinden sonra düşündüm ki Java’da çok kanallı programlamadan bahsetmemek büyük bir eksiklik olmuş bu yazı dizisi için. Şu sıralar üzerinde uğraştığım bir proje de bu durumu biraz tetikledi açıkçası. Hazır çok kanallı programlamaya (ki bundan sonra multi-threading diyeceğim…) derinlemesine inmişken bu konuya da yüzelsel olarak bir değinmek istedim.

Programlama dillerini iş yapan bir işçiye benzetirsek, tıpkı bir işçi gibi işlerini belirli bir sırayla yaptığını görürürüz. Yani bir program parçacığı çalışır, bir işi yapar, bititir, sonra bir diğer işe başlar, onu bititir, sonra bir yenisine başlar. Süreç bu şekilde kendisine verilen işler bitene kadar devam eder. Eğer yalnızca bir işçiniz varsa burada işçi için değil de iş süreci için bir çıkmaz oluşacağını hissetmişsinizdir. Tabi ki burada işin niteliği de önemlidir. Çünkü bir işçi yalnızca ve yalnızca kendisine verilen bir işi yerine getirir, işi bitmeden de bir diğer işi yapamaz. Peki ya bizim senkron bir şekilde yapılması gereken işlerimiz varsa ne olacak? Cevap basit aslında yeni işçiler almalıyız. İşte programlamada çoklu-işçiliği sağlayan multi-threaded yapılardır. Bu arada “Ne kadar senkron?” sorusunu aklınızın bir kenarına şimdilik not edin, ilerleyen dakikalarda inceleyeceğiz…

Programlama hayatından daha gerçekçi bir örnek vererek ilerleyelim;

Örneğin bir uygulama yazmak istiyoruz. Bu uygulama hem sürekli ekrana birşeyler yazacak hem de bir yandan ben klavyeden hangi metni girersem onu alıp aynen ekrana basacak. Yani iki iş parçacığından oluşuyor. Eğer multi-threaded bir yapı kullanmazsanız böyle bir uygulamayı gerçek anlamda oluşturamazsınız. Yapılacak işler birbiri ile çakışır, senkron değil de birbirini beklemek zorunda kalan iş parçacıkları oluşur.

package multithreaded.sample1;

/**
 *
 * @author Cem Kefeli
 */
public class MultiThreadedEx1 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread_Read threadRead=new Thread_Read();
        Thread_Write threadWrite=new Thread_Write();
        threadRead.start();
        threadWrite.start();
    }
}

package multithreaded.sample1;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;

/**
 *
 * @author Cem Kefeli
 */
public class Thread_Read extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        String text="";
        
        while(true) {
            try {
                text = bufferedReader.readLine();
            } 
            catch (IOException Exc) {
                System.out.println(Exc);
            }
            System.out.println("Echo: "+text);
        }
    }
}

package multithreaded.sample1;

/**
 *
 * @author Cem Kefeli
 */
public class Thread_Write extends Thread {
    String text = "Thread example-1";
    
    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            try {
                System.out.println(text);
                Thread.sleep(5000);
            } 
            catch (InterruptedException Exc) {
                System.out.println(Exc);
            }
        }
    }
}

Thread example-1
test
Echo: test
Thread example-1
deneme
Echo: deneme
Thread example-1
Thread example-1

Yukarıdaki örnek çok basit bir örnek, fakat görülüyor ki farklı işleri aynı anda yapabiliyoruz artık. Bu mantıkla yalnızca iki adet değil onlarca işi senkron bir şekilde yürütebiliriz. Bir işe başlamak için bir diğer işin bitmesini beklemek zorunda da değiliz böylece.

Yazının başında “Ne kadar senkron?” sorusunu park etmiştik hatırlarsanız, şimdi oraya geri dönelim. Elinizde 1 işçinin 3 saatte bitirebileceği bir iş ve 1 işçinin 5 saatte bitirebileceği ikinci bir iş var. Soru şu; eğer multi-threaded bir yapı kullanırsanız bu iki iş ne kadar zamanda biter, kullanmazsanız ne kadar zamanda biter? Bu arada yeri gelmişken de söylemek lazım Java’da her uygulama en az bir thread’den oluşur ki onun adı da main thread’dir. Yani thread’siz uygulama diye birşey yoktur, “single-thread” ve “multi-thread” kavramları vardır.

İkinci sorunun cevabı daha kolay. Bu iki işin toplam süresi yaklaşık 8 saat sürer diyebiliriz. Yani (toplam süre~=8 saat) denkliği bize gereken cevabı verir.

Ama birinci sorunun cevabı o kadar net değil. Şöyle düşünebiliriz; Bu işler eş zamanlı yapıldığına göre ikisine aynı anda başlasak ilki 3 saat sonra biter, birinci işçi boşa çıkar. İkinci iş ise 5 saatte biter ikinci işçi boşa çıkar. Toplamda da yaklaşık 5 saatte her iki iş de bitmiş olur. Bu söylem göreceli olarak doğru bir mantığa dayanıyor fakat programlama dünyasında eğer her işi bir CPU çekirdeğine yaptırabiliyorsanız geçerli. Eğer bizim tüm işlerimizi aynı CPU çekirdeği yapıyorsa geçersiz. Çünkü ortada toplam belirli miktarda iş var ve bu iş için harcanacak enerji var. Olmayan bir enerjiyi işe dönüştüremeyiz. Dolayısıyla ilk sorunun cevabı (5 saat<toplam süre<8 saat) şeklinde karşımıza çıkar. Örneğin 6 saat olabilir ama asla ve asla 5 saat olamayacaktır. Örneğin 5 saat 1 saniye olabilir ama asla ve asla 5 saat olmayacaktır!

Bu durumu daha net ortaya koyabilmek için yüklü matematiksel hesaplamalar yapan bir method (iş) yazdım. Bu işten CPU’ya 1 den başlayarak 50 defaya kadar yaptırdım, her bir iş sayısı için toplam işin ne kadar sürdüğünü hesaplattım. Grafikteki yatay eksen işten kaç defa yapıldığını adet cinsinden gösteriyor. Kırmızı bölüm multi-threaded yapı olmadan, yani aslında single-threaded, toplam işin 1 ile 50 arasında değişen sayısı için milisaniye cinsinden ne kadar sürdüğünü gösteriyor. Burada bizi şaşırtan bir durum yok. İşler peşpeşe yapılıyor ve bir iş yaklaşık 1,450 milisaniye (ms) sürüyor 50 defa yapılması da yaklaşık 72,750 ms sürüyor. Beklenen değer ve gerçekleşen değerler neredeyse birbirinin aynısı. Grafikten de görüleceği gibi kızmızı taralı alan çok belirgin ortaya çıkmıyor.

Fakat multi-threaded yapıda, yani mavi alan, yukarıda bahsettiğim sonuç çok net ortaya çıkıyor. normalde 50 işin aynı anda başlayıp eş zamanlı yapılması sonrasında 50 işin de 1450 ms sonra bitmesi beklenir. Fakat öyle olmuyor, 50 iş senkron bir şekilde toplam 28,500 ms’de bitiyor. Yani aslında her bir iş 28,500 ms saniye sürüyor ve her iş de aynı zamanda bitiyor. İşleri senkron yaptırmamız birim işin süresini uzatıyor. Çünkü her işi bir CPU çekildeğine yaptırmıyoruz, tek bir CPU çekirdeğiyle 50 işi aynı anda yapmaya çalışıyoruz. Grafikten de görüleceği gibi mavi taralı alan çok belirgin bir şekilde ortaya çıkıyor. Peki neden değer arada bir yerde kalıyor? Yani neden single-thread’den yine de az bir süre alıyor işlerin bitmesi. Çünkü multi-threaded yapı kullanarak CPU’nun idle-time değerini azaltıyoruz. Yani CPU’yu daha fazla yüklüyoruz.

Çok çekirdekli CPU’lar biliyorsunuz uzun zamandır kullanımda. Fakat eğer sizin uygulamanız çok çekirdekli bir mimariye uygun bir ortamda çalışmıyorsa çekirdeklerinizin sayısının bir anlamı yok demektir! Buraya çok fazla girmiyorum ama şunu bilmek gerekir ki ve bir başka söylemle çok çekirdekli bir işlemci ancak çok çekirdek üzerinde çalışmaya uygun bir yazılım ortamı ile anlam bulabilir.

Sonuç olarak; bu yazıda işin mantığını anlatmaya çalıştım, bir sonraki yazımda ise multi-threaed yapıların biraz daha detayına inmeyi bekliyorum. Faydalı olması dileğiyle…