社内勉強会で『増補改訂版 Java 言語で学ぶデザインパターン マルチスレッド編』第 12 章の発表を担当した際の資料です。 教科書の内容の説明に加えて、ガード条件を満たすリクエストを処理する方式の実装、ExecutorService の独自実装を試み、それらについても説明しました。 実装したプログラムは https://github.com/y-uti/dpmt-java にあります。

1. 増補改訂版
Java 言語で学ぶデザインパターン マルチスレッド編
12. Active Object
内山 雄司 (@y__uti)
2019-08-08 社内勉強会

2. 自己紹介
内山 雄司 (@y__uti)
◦ http://y-uti.hatenablog.jp/ (phpusers-ja)
仕事
◦ 受託開発の会社 (株式会社ピコラボ) でプログラマをしています
興味
◦ プログラミング言語処理系
◦ 機械学習
2019-08-08 社内勉強会 2

3. 発表の流れ
1. Active Object とは？
2. Active Object の実装の説明
3. 議論：Active Object のバリエーション
4. 補講：java.util.concurrent パッケージの利用
2019-08-08 社内勉強会 3

4. Active Object とは？
能動的な (active) オブジェクト
具体的には
◦ 自分固有のスレッドを持っていて (= 能動的な)
◦ 外部から受け取った非同期メッセージを
◦ 自分固有のスレッドで
◦ 自分の都合がよいタイミングで処理して
◦ 結果を返す
ことができるオブジェクト
2019-08-08 社内勉強会 4

5. 別の解釈
2019-08-08 社内勉強会 5
Active Object パターンでは、シングルスレッドで動作することを前提と
して設計されている Servant 役に皮をかぶせて、マルチスレッドの
Client 役から利用できるようにしている、と見なすこともできますね。
Servant 役に皮をかぶせて = 再利用性
マルチスレッドの Client 役から利用できるようにしている
◦ スレッドセーフ = 安全性
◦ 非同期処理 = 応答性 (パフォーマンス)
(教科書 419 ページより引用)

6. Active Object の実装
Active Object = Future + Worker Thread
2019-08-08 社内勉強会 6

7. サンプルプログラム１
クライアント側から見えるもの
2019-08-08 社内勉強会 7
public interface ActiveObject {
// fillchar を count だけ繰り返した文字列を作って返す
public abstract Result<String> makeString(int count, char fillchar);
// 渡された文字列 string を表示する
public abstract void displayString(String string);
}
public abstract class Result<T> {
// 値を取得する
public abstract T getResultValue();
}
(List 12-4 より)
(List 12-12 より)

8. サンプルプログラム１
ActiveObject の使い方
シングルスレッドならこんな感じ
2019-08-08 社内勉強会 8
// ActiveObject インスタンスを作る ActiveObjectFactory があるとして
ActiveObject activeObject = ActiveObjectFactory.createActiveObject();
Result<String> result = activeObject.makeString(10, "A");
System.out.println(result.getResultValue());
これをマルチスレッドでも使いたい
◦ 非同期処理 － makeString の実行中にクライアントを待たせない
◦ スレッドセーフ － 複数のクライアントから同時に利用可能にする

9. 2019-08-08 社内勉強会 9
(教科書の図を引用)

10. 非同期処理の実現
Future パターンを利用する
Future パターンとは？ (復習)
1. Host 役は Client 役からの要求に対して Future を返す
2. 別スレッドで処理を実行して結果を Future に設定する
3. Client は Future から結果を取得できる
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11. 2019-08-08 社内勉強会 11
(教科書の図を引用)

12. ここをブラックボックスと
考えれば Future と同じ
2019-08-08 社内勉強会 12
Main
request
Host
Data
FutureData
RealDatasetRealData
getContent getContent
(教科書の図を引用)

13. スレッド安全性の実現
Worker Thread パターンを利用する
Worker Thread パターンとは？ (復習)
1. Client 役と Worker 役は Channel を共有している
2. Client は要求を表現する Request を Channel に追加する
3. Worker は Channel を見張っている
4. Channel に Request が来たら取り出して処理を実行する
2019-08-08 社内勉強会 13

14. 2019-08-08 社内勉強会 14
(教科書の図を引用)

15. 2019-08-08 社内勉強会 15
Channel
Request
ClientThread
putRequest
(教科書の図を引用)

16. 2019-08-08 社内勉強会 16
Channel
Request
WorkerThread
takeRequest
execute
(教科書の図を引用)

17. スレッド安全性の実現
2019-08-08 社内勉強会 17
ワーカースレッドを 1 人にしておくと、ワーカースレッドが行う処理の
範囲はシングルスレッドになりますから、排他制御を省略できる可能性
があります。
(教科書 276 ページより引用)
SchedulerThread = 1 人のワーカースレッド
Servant のメソッドはワーカースレッド上で実行される
◦ 排他制御を省略できる
◦ シングルスレッドを前提とした設計のまま再利用可能

18. 議論
Active Object のバリエーションを考える
2019-08-08 社内勉強会 18

19. Scheduler の必要性
Servant 役がもともとスレッドセーフなら
⇒ Future パターンを適用するだけで非同期にできる
たとえば教科書の例における Servant
2019-08-08 社内勉強会 19

20. ActivationQueue への追加
(教科書 412 ページ)
教科書の実装
◦ ActivationQueue が一杯だとクライアントは wait する
バリエーション
◦ Guarded Suspension (第 3 章) ではなく Balking (第 4 章) を利用
2019-08-08 社内勉強会 20

21. スケジューリング方法
(教科書 412, 420 ページ)
教科書の実装
◦ ActivationQueue の先頭要素を取り出して実行する (FIFO)
バリエーション
◦ ガード条件を確認して実行可能なリクエストを処理する
2019-08-08 社内勉強会 21
参考文献
Lavender, R. Greg; Schmidt, Douglas C. "Active Object"
(https://en.wikipedia.org/wiki/Active_object の References 3 から PDF を取得可能)

22. 試してみよう
displayString を連続して呼んではいけないことにする
2019-08-08 社内勉強会 22
class Servant implements ActiveObject {
private boolean canDisplay = false;
public boolean canDisplay() { return canDisplay; }
public Result<String> makeString(int count, char fillchar) {
canDisplay = true;
...
}
public void displayString(String string) {
if (!canDisplay) { System.out.println("*ERROR*"); return; }
canDisplay = false;
...
}
}

23. 試してみよう
ガード条件を満たすリクエストを処理する
1. MethodRequest クラスに guard メソッドを追加する
2. ActivationQueue の実装を変更する
3. SchedulerThread の run の実装を変更する
2019-08-08 社内勉強会 23

24. 試してみよう
MethodRequest クラスに guard メソッドを追加する
2019-08-08 社内勉強会 24
abstract class MethodRequest<T> {
public abstract boolean guard();
...
}
class MakeStringRequest extends MethodRequest<String> {
public boolean guard() { return true; }
...
}
class DisplayStringRequest extends MethodRequest<Object> {
public boolean guard() { return !servant.IsNeedToMake(); }
...
}
具象クラスでの実装

25. 試してみよう
ActivationQueue の実装を変更する
1. requestQueue をキューからリストに変更
2019-08-08 社内勉強会 25
private final LinkedList<MethodRequest> requestQueue;
2. takeRequest メソッドでガード条件を満たすものを探す
public synchronized MethodRequest takeRequest() {
...
for (MethodRequest request : requestQueue) {
if (request.guard()) {
requestQueue.remove(request);
notifyAll();
return request;
}
}
return null;
}

26. 試してみよう
SchedulerThread の run の実装を変更する
2019-08-08 社内勉強会 26
public void run() {
while (true) {
MethodRequest request = queue.takeRequest();
if (request != null) {
request.execute();
}
try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) {}
}
}
ポイント
◦ ガード条件を満たすリクエストが存在しない場合もある
◦ ガード条件が成立するタイミングは (一般には) わからない
◦ したがって takeRequest 側で wait しては駄目で polling する

27. デッドロックの可能性
以下の条件でデッドロックに陥る
◦ ActivationQueue が埋まっている
◦ その中にガード条件を満たすリクエストが存在しない
今回の例では DisplayStringRequest でキューが埋まると「死」
◦ キューに空きがないのでリクエストを追加できない
◦ キューに MakeStringRequest が存在しないので要素を取り出せない
2019-08-08 社内勉強会 27

28. 補講
java.util.concurrent パッケージの利用
2019-08-08 社内勉強会 28

29. サンプルプログラム２
パッケージが提供する機能
◦ 非同期リクエストの表現 MethodRequest
◦ 非同期リクエストの実行管理 SchedulerThread, ActivationQueue
◦ 非同期処理の戻り値の表現 Result, FutureResult, RealResult
(教科書 423 ページの Table 12-3 を参照)
2019-08-08 社内勉強会 29

30. 実装してみよう
java.util.concurrent のクラス群を自分で書いてみよう
2019-08-08 社内勉強会 30
public interface Callable<T> { ... }
public interface ExecutorService { ... }
public class Executors { ... }
public class Future<T> { ... }
class ActivationQueue { ... }
class SingleThreadExecutor implements ExecutorService { ... }
◦ java.util.concurrent を使った場合と同様に動くようにする

31. 実装してみよう
ExecutorService インタフェース
2019-08-08 社内勉強会 31
public interface ExecutorService {
public <T> Future<T> submit(Callable<T> callable);
public void execute(Runnable runnable);
public void shutdown();
}
public class Executors {
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new SingleThreadExecutor();
}
}
Executors
◦ ExecutorService を実装する SingleThreadExecutor を生成して返す

32. 実装してみよう
戻り値のない処理 (Runnable) の非同期実行
2019-08-08 社内勉強会 32
public class SingleThreadExecutor
extends Thread implements ExecutorService {
// queue は Runnable オブジェクトを格納する ActivationQueue とする
public void execute(Runnable runnable) {
queue.putRequest(runnable);
}
public void run() {
while (true) {
Runnable runnable = queue.takeRequest();
runnable.run();
}
}
}

33. 実装してみよう
戻り値のある処理 (Callable<T>) の非同期実行
2019-08-08 社内勉強会 33
public <T> Future<T> submit(Callable<T> callable) {
Future<T> future = new Future<T>();
Runnable runnable = new Runnable() {
public void run() {
T result = callable.call();
future.set(result);
}
};
execute(runnable);
return future;
}
◦ callable の結果を future に設定する Runnable を作って非同期実行
◦ MakeStringRequest の execute メソッドと同じ仕掛け
◦ この future + runnable が java.util.concurrent.FutureTask<V> に相当

34. 実装してみよう
shutdown による終了処理
2019-08-08 社内勉強会 34
public void shutdown() {
shutdownRequested = true;
}
public void execute(Runnable runnable) throws RuntimeException {
if (shutdownRequested) { throw new RuntimeException("Rejected"); }
...
}
public void run() {
while (!(shutdownRequested && queue.isEmpty())) { ... }
}
◦ shutdown 要求後は新規のリクエストを受け付けない
◦ queue に残っているリクエストの処理を待って終了する

35. おわり
質疑応答
2019-08-08 社内勉強会 35