Sémaphores et Mutex en Delphi et Java

Mathieu Dalbin

Comment utiliser des sémaphores et des Mutex en Delphi et Java ? ♪

- Titre : Sémaphores et Mutex en Delphi et Java

- Auteur : Mathieu Dalbin

- Parution : 28 septembre 2004

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Sommaire

- I. Qu'est-ce qu'un sémaphore ? Qu'est-ce qu'un Mutex ?

- I-A. Principe des sémaphores

- I-B. Un exemple concret

- I-C. Un exemple informatique

- I-D. Principe des Mutex

- II. Principe de fonctionnement

- II-A. Programmes, processus et threads

- II-B. Le mécanisme des sémaphores

- II-C. L'approche Objet

- III. Programmation sous Delphi

- III-A. Définition de la classe TSemaphore

- III-B. Constructeur

- III-C. Les principales méthodes

- III-D. La synchronisation sous Delphi

- IV. Programmation sous Java

- IV-A. La classe Semaphore

- IV-B. La synchronisation sous Java

- IV-C. Apparition dans Java 1.5

- V. Un exemple concret de Producteurs - Consommateurs

- V-A. Principe général

- V-B. La Boîte Aux Lettres

- V-C. Les Producteurs et les Consommateurs

- V-D. Initialisation du mécanisme

- V-E. Déroulement du programme

- V-F. Programmes d'exemple

- VI. Conclusion

I - Qu'est-ce qu'un sémaphore ? Qu'est-ce qu'un Mutex ?

I-A - Principe des sémaphores

Un sémaphore intervient donc dans le mécanisme de partage des ressources disponibles, qu'elles soient uniques ou non, dans un environnement donné (nous parlerons ici, en priorité, d'un environnement informatique géré par un système d'exploitation). On trouve cependant des sémaphores dans tous les domaines de la vie courante, où les ressources doivent être partagées.

I-B - Un exemple concret

Prenons d'ores et déjà un exemple concret, afin d'illustrer le fonctionnement des sémaphores. Cet exemple est destiné à schématiser la situation.

Vous décidez d'aller dans le restaurant le plus huppé de la ville (on admet, pour l'exemple, que vous pouvez aisément vous le payer !). Lorsque vous arrivez, vous constatez que toutes les tables sont prises, et n'ayant pas réservé, vous êtes dans l'obligation d'attendre qu'une table se libère. Cette situation peut être gérée par un sémaphore : ici le type de ressource à se partager est la table, le nombre de ressources est connu (par exemple 20 tables dans ce restaurant), et toutes les ressources sont malheureusement prises et aucune n'est disponible pour vous. Vous attendez donc qu'une ressource se libère pour la prendre, vous attendez une table pour enfin pouvoir dîner !

I-C - Un exemple informatique

Ce mécanisme est similaire au sein du système d'exploitation : prenons un exemple simple avec le disque dur. Deux ou plusieurs programmes différents tentent d'accéder au disque dur pour y faire plusieurs opérations d'écriture et de lecture. Ici aussi, un sémaphore gère la situation : le premier des programmes accédant à la ressource (qui est unique dans ce cas, car il n'y a qu'un seul disque dur qui intéresse les programmes) bloque les autres programmes qui attendent la libération de la ressource, le disque dur dans notre cas.

I-D - Principe des Mutex

Dans ce dernier cas, on parle de Mutex, car la ressource disponible est unique. Le mot Mutex est une contraction de « Mutual Exclusion », en français « Exclusion Mutuelle », ce qui se comprend aisément : la ressource étant unique, le premier programme y accédant bloque l'accès à tous les autres, qui attendent tous que la ressource se libère. Un Mutex se comporte donc comme un sémaphore, sauf qu'il possède la particularité de gérer une ressource unique.

II - Principe de fonctionnement

II-A - Programmes, processus et threads

Tout d'abord, faisons un résumé sur le vocabulaire que l'on peut rencontrer. Un sémaphore, comme nous l'avons vu, gère le partage de ressources entre plusieurs programmes. Mais ceci n'est pas tout à fait vrai, si on se réfère au strict sens des termes… Un programme est avant tout composé d'un processus, au niveau du système d'exploitation, et un processus a pour but d'exécuter des instructions. De cette façon, un processus est créé à chaque exécution d'un programme exécutable, ou tout autre module contenant du code machine, tel qu'une DLL ou un pilote de matériel. Mais ce n'est pas tout, car un processus est composé de « threads » (en français « fil », à comprendre au sens figuré), dont le nombre peut être variable. Un thread peut être assimilé à une subdivision du processus, car chaque thread est capable d'exécuter des instructions et donc d'accéder aux ressources de l'environnement. Tout processus contient un thread principal (le « main thread » dans la littérature informatique), et peut contenir un ou plusieurs threads secondaires. C'est à ce niveau que les distinctions doivent être faites : puisque chaque thread peut accéder aux ressources, c'est donc non pas entre processus, mais entre threads que les sémaphores gèrent les accès.

Ainsi un sémaphore peut très bien gérer une ressource au sein d'un même processus, entre, par exemple, le thread principal et un thread secondaire. De la même façon, deux threads n'appartenant pas au même processus obéiront aux mêmes restrictions.

II-B - Le mécanisme des sémaphores

Observons à présent le fonctionnement général d'un sémaphore. D'un point de vue conceptuel, un sémaphore agit comme une porte d'accès, un point d'entrée. Reprenons notre exemple du début, pour le restaurant : vous vous présentez à la réception et demandez une table, le maître d'hôtel vous dit alors qu'il n'y a aucune table de libre et vous demande de patienter. Si l'on devait modéliser la situation dans un système informatique, un sémaphore ferait parfaitement l'affaire pour remplacer le maître d'hôtel, et vous ne seriez qu'un thread parmi tant d'autres ! Ici le maître d'hôtel refuse ou non votre accès à une ressource qu'est une table, il joue un rôle de régulateur, en contrôlant le nombre de tables disponibles. Ce comportement est le même pour un sémaphore : chaque sémaphore contrôlant un type de ressource connaît à chaque instant le nombre de ressources de ce type disponibles et autorise ou refuse l'accès d'un thread à une de ces ressources.

II-C - L'approche Objet

Si l'on approfondit le sujet, on constate qu'un sémaphore est finalement un mécanisme simple. Dans un souci de compatibilité avec la majorité des langages modernes, nous utiliserons la conception par objet pour modéliser des sémaphores et des Mutex. Ainsi, un sémaphore est un objet possédant deux attributs :

- l'un de ces deux attributs doit permettre de comptabiliser le nombre de ressources disponibles à un instant donné ;

- l'autre attribut doit contenir le nombre maximal de ressources.

Si on reprend encore une fois l'exemple du restaurant, le sémaphore représentant le réceptionniste aura un de ses deux attributs à 20 (le nombre maximal de tables dans le restaurant) et l'autre à 0 (le nombre de tables disponibles, c'est-à-dire aucune). Afin de communiquer avec le sémaphore, on dispose de deux procédures, que l'on appelle communément P et V. Ces deux procédures servent pour l'accès aux ressources : P permet ainsi de demander une ressource et V permet de libérer une ressource. Un moyen mnémotechnique pour s'en rappeler est d'associer P à « Prendre une ressource » et V à « Valider une ressource » ! Ces deux procédures peuvent être évidemment nommées selon votre gré, mais ces deux appellations sont les plus rencontrées dans la programmation système. Dans notre approche objet, ces deux procédures seront incluses en tant que méthodes dans notre objet Sémaphore.

III - Programmation sous Delphi

III-A - Définition de la classe TSemaphore

Afin d'illustrer les mécanismes des sémaphores, nous implémenterons une classe sous Delphi. Cette classe représentera donc un sémaphore, avec ses deux attributs :

- « valeur », pour le nombre de ressources disponibles ;

- « limite », pour le nombre maximal de ressources.

Nous ajouterons également les deux procédures P et V, sans oublier une fonction qui, pour notre confort, retournera le nombre actuel de ressources disponibles. Programmation orientée objet oblige, un constructeur sera défini pour cette classe. Enfin, la classe TSemaphore aura un attribut privé supplémentaire, permettant de stocker le Handle retourné par la fonction CreateSemaphore de l'API Windows. En effet, Windows possède un support pour les sémaphores et les mutex, ce support étant composé, pour chaque type, de trois fonctions.

Téléchargez l'archive de la classe Semaphore (Delphi)

Voyons à présent la déclaration de la classe TSemaphore :

type
TSemaphore = class(TObject)
private
FValeur: Integer;
FLimite: Integer;
FHSemaphore: Cardinal;
public
constructor Create(Valeur: Integer; Limite: Integer);
procedure P;
procedure V;
function GetValeur: Integer;
destructor Destroy; override;
end;

III-B - Constructeur

Comme on peut le constater, on passe la valeur initiale et la limite du sémaphore en paramètre du constructeur. Voyons la définition du constructeur :

constructor TSemaphore.Create(Valeur: Integer; Limite: Integer);
begin
inherited Create;
FValeur := Valeur;
FLimite := Limite;
FHSemaphore := CreateSemaphore(nil, FValeur, FLimite, nil);
if FHSemaphore = 0 then Fail;
end;

On remarque l'utilisation de la fonction CreateSemaphore de l'API de Windows. Cette fonction permet de créer un sémaphore que Windows pourra gérer. En effet, les mécanismes de gestion de threads étant internes à Windows, il est impossible de se passer des fonctions dédiées pour gérer un sémaphore. La fonction CreateSemaphore renvoie un Handle vers le sémaphore qui a été créé. On ne se souciera pas dans notre cas du paramètre de sécurité (le premier paramètre de la fonction), en acceptant d'utiliser le niveau de sécurité par défaut, qui est suffisant dans la plupart des cas. De même, on évitera ici d'utiliser le quatrième paramètre qui permet de donner un nom au sémaphore, étant donné que le nommage du sémaphore n'est utile que dans très peu de cas. Le nommage d'un sémaphore n'aura d'intérêt que si l'on décide de créer plusieurs instances d'un même sémaphore, au sein du système d'exploitation, ce qui est fait à l'aide de la fonction OpenSemaphore de l'API Windows.

Les fonctions de l'API de Windows assurent donc une gestion minimale des ressources, mais cette gestion ne remplit pas toutes nos exigences de programmeur. Il est en effet impossible de connaître le nombre de ressources disponibles à un moment donné. Ceci est comblé par l'ajout d'attribut dans la classe TSemaphore, que nous avons programmée.

Regardons la définition de la méthode Free :

destructor TSemaphore.Destroy;
begin
CloseHandle(FHSemaphore);
inherited Destroy;
end;

Cette fonction utilise la fonction CloseHandle afin de libérer le sémaphore au sein du système d'exploitation, lorsque l'on n'en a plus besoin. Cet appel est nécessaire afin de quitter proprement l'environnement d'exécution du programme !

III-C - Les principales méthodes

Arrêtons-nous un instant sur les principales méthodes de l'objet TSemaphore :

procedure TSemaphore.P;
begin
while FValeur < 1 do
begin
WaitForSingleObject(FHSemaphore, INFINITE);
end;
FValeur := FValeur - 1;
end;

procedure TSemaphore.V;
begin
FValeur := FValeur + 1;
ReleaseSemaphore(FHSemaphore, 1, nil);
end;

function TSemaphore.GetValeur: Integer;
begin
Result := FValeur;
end;

Analysons tout d'abord la méthode P : pour rappel, cette méthode sert à prendre une ressource s'il y en a au moins une de disponible. On remarque l'utilisation de la fonction WaitForSingleObject : cette fonction a pour but d'attendre que le sémaphore lui signale qu'une ressource est libre d'accès. On passe alors le handle du sémaphore en paramètre de cette fonction. Si l'on décortique le déroulement de cette méthode P, on observe que l'on exécute la boucle tant qu'il n'y a pas de ressource disponible. Dans ce cas-ci, la boucle s'exécute, et l'appel à la fonction WaitForSingleObject fige le thread appelant. Ce thread continuera son exécution lorsqu'il recevra un message de la part du sémaphore, l'informant qu'une ressource vient de se libérer. L'exécution de la boucle s'achève donc, et si un autre thread n'a pas été plus « rapide », le thread appelant prend la ressource, en décrémentant la valeur de 1. Si un autre thread a précédé ce thread, la boucle est à nouveau exécutée, car à nouveau aucune ressource n'est disponible.

Regardons la méthode V, qui sert à libérer une ressource. Là aussi, nous faisons appel à une fonction de l'API de Windows, ReleaseSemaphore. Cette fonction sert à signaler aux threads restés figés qu'une ressource vient de se libérer. L'incrémentation de la valeur du sémaphore permet de garder le nombre de ressources disponibles à jour. Enfin la fonction getValeur est un accesseur en lecture sur l'attribut valeur, elle permet de connaître le nombre de ressources disponibles à un moment précis.

III-D - La synchronisation sous Delphi

La synchronisation sous Delphi est faite grâce aux sections critiques. Les sections critiques permettent, dans une application possédant plusieurs threads, de contrôler l'accès à des données ou du code précis. Une section critique agit donc comme un commutateur, au niveau du code : ainsi, un bloc de code protégé par une section critique ne pourra être exécuté que par un seul thread à la fois. Ceci implique donc que si deux ou plusieurs threads différents tentent d'exécuter ce bloc de code, un ordre d'exécution sera mis en place afin que chaque thread exécute le bloc de code tour à tour. Les sections critiques sont représentées à travers la classe TCriticalSection, située dans l'unité SyncObjs. Cette classe possède deux méthodes qui permettent de délimiter le bloc de code qui sera exécuté en section critique. La première méthode, Acquire, également appelée Enter, permet de définir le point de départ de la section critique. La seconde méthode, appelée Release ou Leave, définit le point d'arrêt de la section critique. Voici un exemple d'utilisation des sections critiques, cet exemple étant issu de la déclaration de la méthode Depose de la classe TBal, que nous étudierons plus tard :

procedure TBal.Depose(X: Integer);
begin
FSectionCritique.Acquire;
try
FTable[FIndiceDepot] := X;
FIndiceDepot := (FIndiceDepot + 1) mod 10;
finally
FSectionCritique.Release;
end;
end;

Ainsi tout le code situé entre ces deux méthodes s'exécutera en section critique. Une conséquence de ce concept est que les données manipulées dans ce bloc de code protégé ne peuvent être modifiées que par un seul thread à la fois, si évidemment elles ne sont pas modifiées hors de la section critique par tout autre thread. Dans notre cas, nous avons souhaité protéger les attributs privés de la classe TBal, qui sont FIndiceDepot et FIndiceRetrait, car leur modification par deux ou plusieurs threads simultanément aurait pu conduire à des effets de bord désagréables, pouvant perturber le déroulement normal du programme.

IV - Programmation sous Java

IV-A - La classe Semaphore

Contrairement à Delphi, le langage Java prévoit un mécanisme pour gérer les sémaphores, mais il est cependant nécessaire d'utiliser le compteur de valeur et la limite de ressources. Les deux attributs valeur et limite sont donc toujours présents dans l'implémentation sous Java. Nous retrouvons également les deux procédures P() et V() pour la gestion des ressources et la fonction getValeur() qui retourne le nombre de ressources disponibles.

Téléchargez l'archive de la classe Semaphore (Java)

Voici la définition de la classe Semaphore :

public class Semaphore
{
private int valeur;
private int limite;

public Semaphore(int valeur, int limite)
{
this.valeur=valeur;
this.limite=limite;
}

public int getValeur()
{
return valeur;
}

synchronized public void P()
{
while (valeur<1)
{
try
{
wait();
}
catch(InterruptedException e)
{
System.out.println("Erreur de Sémaphore");
}
}
valeur=valeur-1;
}

synchronized public void V()
{
valeur=valeur+1;
notify();
}
}

IV-B - La synchronisation sous Java

Nous retrouvons donc les mêmes principes que pour la programmation sous Delphi, à savoir que la procédure P met en attente le thread l'appelant avec l'instruction wait(). De la même façon, la procédure V libère une ressource et signale aux threads en attente qu'une ressource s'est libérée, grâce à l'instruction notify(). Ces deux méthodes sont déclarées avec la directive synchronized, ce qui leur confère un traitement spécial au niveau de la machine virtuelle : en effet, le mot clé synchronized est utilisé pour signifier que les fonctions affectées ne peuvent pas accéder en même temps aux objets situés dans l'environnement d'exécution. Ces fonctions s'exécuteront donc l'une après l'autre si leur appel est simultané. Ceci évite ainsi qu'un objet soit modifié par deux threads simultanément, ce qui pourrait conduire à des effets de bord indésirables.

IV-C - Apparition dans Java 1.5

Depuis la version 1.5 du JRE de Java, une nouvelle classe a été introduite afin de fournir un support plus complet pour les sémaphores. Cette classe Semaphore est située dans le package java.util.concurrent : vous pouvez obtenir les spécifications de cette classe sur le site de Sun. Cette nouvelle classe permet donc de créer et de manipuler des sémaphores, sans se préoccuper véritablement des compteurs de ressources disponibles, le tout étant géré au sein de la machine virtuelle. Un article concernant les nouveautés de Java 1.5 est également disponible.

V - Un exemple concret de Producteurs - Consommateurs

V-A - Principe général

Le principe des Producteurs - Consommateurs est bien connu des programmeurs système, car il revient très souvent au niveau d'un système informatique. Le principe est simple, car il repose sur les relations entre plusieurs threads et un objet commun, cet objet subissant des modifications de la part des threads. Dans cet exemple, nous prendrons le cas d'une BAL, une Boîte Aux Lettres, partagée par cinq threads. Nous stockerons dans cette boîte aux lettres des nombres entiers. Nous utiliserons également deux types de threads : trois threads seront producteurs de valeurs, leur but sera de remplir la boîte aux lettres, et deux threads seront consommateurs, car ils devront lire les valeurs situées dans la boîte.

V-B - La Boîte Aux Lettres

Afin de mieux comprendre le mécanisme de gestion de la BAL, regardons les définitions de la classe TBal en Delphi et de la classe BAL Java :

type
TBal = class(TObject)
private
FTable: array[0..9] of Integer;
FIndiceDepot: Integer;
FIndiceRetrait: Integer;
FSemaphoreDepot: TSemaphore;
FSemaphoreRetrait: TSemaphore;
FMemo: TMemo;
FSectionCritique: TCriticalSection;
public
constructor Create(Memo: TMemo);
procedure DeposeP();
procedure DeposeV();
procedure RetireP();
procedure RetireV();
procedure Depose(X: Integer);
function Retire: Integer;
procedure Affiche;
procedure Free;
end;

constructor TBal.Create(Memo: TMemo);
begin
inherited Create;
FMemo := Memo;
FIndiceDepot := 0;
FIndiceRetrait := 0;
FSemaphoreDepot := TSemaphore.Create(10, 10);
FSemaphoreRetrait := TSemaphore.Create(0, 10);
FSectionCritique := TCriticalSection.Create;
end;

procedure TBal.DeposeP();
begin
FSemaphoreDepot.P;
end;

procedure TBal.DeposeV();
begin
FSemaphoreDepot.V;
end;

procedure TBal.RetireP();
begin
FSemaphoreRetrait.P;
end;

procedure TBal.RetireV();
begin
FSemaphoreRetrait.V;
end;

procedure TBal.Depose(X: Integer);
begin
FSectionCritique.Acquire;
try
FTable[FIndiceDepot] := X;
FIndiceDepot := (FIndiceDepot + 1) mod 10;
finally
FSectionCritique.Release;
end;
end;

function TBal.Retire;
begin
FSectionCritique.Acquire;
try
Result := FTable[FIndiceRetrait];
FTable[FIndiceRetrait] := 0;
FIndiceRetrait := (FIndiceRetrait + 1) mod 10;
finally
FSectionCritique.Release;
end;
end;

procedure TBal.Affiche;
var Valeur: string;
var I: Integer;
begin
Valeur := '';
for I := 0 to 9 do Valeur := Valeur + IntToStr(FTable[I]);
Valeur := Valeur + Format(' %d %d', [FSemaphoreDepot.GetValeur, FSemaphoreRetrait.GetValeur]);
FMemo.Lines.Append(Valeur);
end;

procedure TBal.Free;
begin
FSemaphoreDepot.Free;
FSemaphoreRetrait.Free;
FSectionCritique.Free;
inherited Free;
end;

public class BAL
{
private int[] table;
private int indiceDepot,indiceRetrait;
private Semaphore semaphoreDepot,semaphoreRetrait;

public BAL()
{
table=new int[10];
indiceDepot=0;
indiceRetrait=0;
semaphoreDepot=new Semaphore(10,10);
semaphoreRetrait=new Semaphore(0,10);
}

public void deposeP() { semaphoreDepot.P(); }
public void deposeV() { semaphoreDepot.V(); }
public void retireP() { semaphoreRetrait.P(); }
public void retireV() { semaphoreRetrait.V(); }

synchronized public void depose(int x)
{
table[indiceDepot]=x;
indiceDepot=(indiceDepot+1)%10;
}

synchronized public int retire()
{
int val;
val=table[indiceRetrait];
table[indiceRetrait]=0;
indiceRetrait=(indiceRetrait+1)%10;
return val;
}

public void affiche()
{
for (int i=0;i<9;i++)
{
System.out.print(""+table[i]+" ");
}
System.out.print("    "+semaphoreDepot.getValeur()+" "+semaphoreRetrait.getValeur());
System.out.println();
}
}

Téléchargez l'archive de la classe TBal (Delphi)

Téléchargez l'archive de la classe BAL (Java)

Afin de garder une certaine uniformité, les deux codes se ressemblent fortement, tout en respectant les contraintes de chaque langage. On peut ainsi voir que les classes TBal en Delphi et BAL en Java se composent deux cinq attributs :

- un tableau de 10 cases ;

- un indice de dépôt ;

- un indice de retrait ;

- un sémaphore pour le retrait ;

- un sémaphore pour le dépôt.

On trouve également six méthodes importantes : quatre servent à « dialoguer » avec les sémaphores, et les deux autres servent à déposer ou retirer une valeur de la boîte. Une autre classification serait de dire que trois méthodes concernent le dépôt et les trois autres sont utilisées pour le retrait.

V-C - Les Producteurs et les Consommateurs

Analysons maintenant les définitions des producteurs et des consommateurs.

Définitions des producteurs en Delphi et Java :

type
TProducteur = class(TThread)
private
FBal: TBal;
FNom: string;
protected
procedure Execute; override;
public
constructor Create(Bal: TBal; Nom: string);
end;

constructor TProducteur.Create(Bal: TBal; Nom: string);
begin
inherited Create(false);
FBal := Bal;
FNom := Nom;
end;

procedure TProducteur.Execute;
var I, Valeur: Integer;
begin
for I := 1 to 4 do
begin
Sleep(random(10) * 1000);
Valeur := random(9) + 1;
FBal.DeposeP();
FBal.Depose(Valeur);
FBal.RetireV();
FBal.Affiche;
end;
end;

public class Producteur extends Thread
{
private BAL bal;
private String nom;

public Producteur(BAL bal,String nom)
{
this.bal=bal;
this.nom=nom;
start();
}

public void run()
{
int valeur;
for (int i=1;i<=4;i++)
{
try
{
sleep((int) (Math.random()*10000));
}
catch (InterruptedException e) { }
valeur=(int) (Math.random()*10);
bal.deposeP();
bal.depose(valeur);
bal.retireV();
bal.affiche();
}
}
}

Téléchargez l'archive de la classe Producteurs (Delphi)

Téléchargez l'archive de la classe Producteurs (Java)

Définitions des consommateurs en Delphi et Java :

type
TConsommateur = class(TThread)
private
FBal: TBal;
FNom: string;
protected
procedure Execute; override;
public
constructor Create(Bal: TBal; Nom: string);
end;

constructor TConsommateur.Create(Bal: TBal; Nom: string);
begin
inherited Create(false);
FBal := Bal;
FNom := Nom;
end;

procedure TConsommateur.Execute;
var I, Valeur: Integer;
begin
for I := 1 to 6 do
begin
Sleep(random(10) * 1000);
FBal.RetireP();
Valeur := FBal.Retire;
FBal.DeposeV();
FBal.Affiche;
end;
end;

public class Consommateur extends Thread
{
private BAL bal;
private String nom;

public Consommateur(BAL bal,String nom)
{
this.bal=bal;
this.nom=nom;
start();
}

public void run()
{
int valeur;
for (int i=1;i<=6;i++)
{
try
{
sleep((int) (Math.random()*10000));
}
catch (InterruptedException e) { }
bal.retireP();
valeur=bal.retire();
bal.deposeV();
bal.affiche();
}
}
}

Téléchargez l'archive de la classe Consommateurs (Delphi)

Téléchargez l'archive de la classe Consommateurs (Java)

Ces deux objets sont des descendants des classes threads disponibles pour les deux langages (nous admettrons que vous connaissez un minimum la programmation des threads pour le langage qui vous intéresse). Intéressons-nous tout d'abord aux producteurs : la méthode principale du thread (Execute en Delphi et Run en java) contient trois appels de méthodes de la BAL. La première méthode appelée est deposeP : son but est de prendre une ressource de dépôt s'il y en a au moins une de disponible, ou de mettre en attente le thread appelant. La méthode suivante, depose, permet de déposer une valeur générée au hasard dans la BAL, et enfin la troisième méthode retireV libère une ressource de retrait. De façon similaire, la boucle principale des consommateurs fait appel à trois méthodes de la BAL : retireP qui doit prendre une ressource de retrait, retire qui retire une valeur de la BAL et deposeV qui libère une ressource de dépôt. C'est encore obscur ? Ne vous inquiétez pas, nous allons analyser tout ceci en détail !

V-D - Initialisation du mécanisme

Tout d'abord, revenons à l'objet BAL et à son initialisation (il est important de garder toujours en tête le nombre de ressources disponibles pour bien saisir le déroulement du programme). Il existe 10 cases dans la BAL, chacune de ces cases pouvant contenir un nombre entier. Le nombre maximal de ressources pour les sémaphores de dépôt et de retrait est donc de 10 : dans les deux cas, on ne pourra au maximum déposer que 10 valeurs et on ne pourra en lire que 10 ! Seulement au début de l'exécution, si on admet que la BAL est vide, il y a 10 cases pour écrire, mais 0 pour lire, car il n'y a rien à lire.

C'est à ce niveau que l'initialisation correcte des sémaphores joue un rôle important : en effet, pour le sémaphore de dépôt, il y a donc 10 ressources maximales et 10 ressources disponibles, car on peut écrire dans les 10 cases du tableau, mais pour le sémaphore de retrait, il y a bien 10 ressources maximales, mais 0 ressource disponible, car il n'y a rien à lire.

Dans les différents codes ci-dessus, on constate que les sémaphores ont été initialisés ainsi.

V-E - Déroulement du programme

Nous pouvons débuter l'exécution du programme : les threads sont créés et lancés automatiquement, tous « en même temps ». Comme nous l'avons vu précédemment, tous les threads commencent par essayer de prendre une ressource, soit une ressource de dépôt, soit une ressource de retrait, en interrogeant le sémaphore correspondant sur le nombre de ressources disponibles. En réalité, chaque thread fait un appel à la méthode P du sémaphore concerné, il demande donc, quoi qu'il arrive, une ressource, mais s'il n'y a pas de ressource disponible, le sémaphore le met en attente. Il n'est pas évident que tous les threads obtiennent effectivement une ressource, et dans ce cas, les threads concernés se verront temporairement figés par le système. Observons le comportement d'un thread consommateur : sa première action est d'appeler retireP, qui permet de prendre une ressource de retrait. Seulement au tout début de l'exécution, aucune ressource de retrait n'est disponible, car personne n'a encore écrit dans la BAL.

La conséquence de cet appel est donc une mise en attente du thread consommateur appelant : ainsi au début de l'exécution, les deux threads consommateurs attendent qu'une valeur soit écrite dans la BAL.

Pour un thread producteur, le déroulement est inverse : comme la BAL est vide, 10 ressources sont disponibles, donc le thread appelant deposeP obtient l'autorisation de déposer une valeur dans la BAL. Après le dépôt d'une valeur, l'appel à retireV permet de signifier aux threads consommateurs qu'une ressource de retrait est disponible.

Ainsi un des deux threads consommateurs, qui avaient précédemment été figés, continue son exécution et retire une valeur de la BAL.

Après avoir retiré cette valeur, il signifie aux threads producteurs qu'une case vient de se libérer et qu'elle est de nouveau disponible pour une écriture. Ce déroulement se prolonge jusqu'à ce que tous les threads producteurs aient écrit leurs valeurs dans la BAL et que tous les threads consommateurs aient lu les valeurs stockées (dans notre cas, le nombre total de valeurs est de 12, un thread producteur écrivant 4 valeurs chacun et un thread consommateur en lisant 6).

À la fin de l'exécution, les producteurs et les consommateurs ayant fait tout leur travail, la BAL est à nouveau vide.

V-F - Programmes d'exemple

Les programmes disponibles en téléchargements, pour Delphi et Java, illustrent ce phénomène : pour la bonne compréhension du système, nous avons employé des temporisateurs afin que l'exécution ne soit pas trop rapide. Les temporisateurs modifient légèrement le comportement des sémaphores, car on perd sensiblement la notion de synchronisation, mais cette utilisation est nécessaire pour montrer le mécanisme de gestion des sémaphores. Lors de l'exécution de ces programmes, vous pourrez constater que l'état de la BAL, ainsi que la valeur de chaque sémaphore sont affichés soit dans une fenêtre dédiée sous Delphi, soit dans la console sous Java (la version Delphi a été compilée avec Delphi 7, et la version Java a été testée avec succès sous Eclipse, avec un JRE version 1.4.2).

Téléchargez l'archive Producteurs Consommateurs (Delphi)

Téléchargez l'archive Producteurs Consommateurs (Java)

VI - Conclusion

Vous avez donc toutes les cartes en main pour maîtriser la synchronisation de thread sous Delphi et Java. Pour en savoir plus sur les threads sous Delphi, vous pouvez consulter ce tutoriel. Il existe également un tutoriel sous Delphi pour l'exécution de tâches périodiques en arrière-plan. Pour Java, vous pouvez consulter ce cours.

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