Problém spícího holiče

Následující pseudokód vyjadřuje jedno možné řešení za použití tří semaforů.

• Deklarace proměnných:

 + Semaphore Customers = 0 // „fronta“ procesů zákazníků
 + Semaphore Barber = 0 // semafor holiče
 + Semaphore accessSeats = 1 // semafor židlí v čekárně
 + int NumberOfFreeSeats = N // počet volných židlí v čekárně

Semafor Customers udává počet zákazníků, kteří momentálně čekají na ostříhání a jeho hodnota může být maximálně počet židlí v čekárně. Barber je binární semafor holiče a accessSeats binární semafor čekárny. Operace P (snížení) na semaforu čekárny znamená výše popsané získání zámku – teprve nyní může holič nebo zákazník zjišťovat a měnit stav čekárny bez nebezpečí, že by stav mezitím měnilo jiné vlákno.

• Proces holiče:

 while(true) { // běží v nekonečné smyčce
   P(Customers) // pokouší se získat zákazníka, pokud žádný není k dispozici, spí, dokud není probuzen
   (...)
   P(accessSeats) // holič je vzhůru a chystá se přijmout zákazníka z čekárny, nejdříve ale musí získat její zámek
   NumberOfFreeSeats++ // nyní může bezpečně uvolnit jednu židli
   V(Barber)  // nyní může zámek holiče získat některé z vláken zákazníků
   V(accessSeats) // uvolnění zámku čekárny
   (...) // zde holič stříhá zákazníka
 }

• Proces zákazníka:

 while(true) { // běží v nekonečné smyčce
   P(accessSeats) // snaží se získat zámek čekárny
   if ( NumberOfFreeSeats > 0 ) { // nyní může zjistit, kolik židlí je volných
     NumberOfFreeSeats-- // je-li alespoň jedna volná, posadí se na ni
     V(Customers) // zvýší hodnotu semaforu Customers - upozorní holiče na nového zákazníka
     V(accessSeats) // uvolní zámek čekárny
     P(Barber) // snaží se získat zámek holiče; pokud je holič zaneprázdněný, semafor způsobí, že vlákno čeká (wait), dokud se zámek neuvolní
     (...) // zde je zákazník obsluhován holičem
   } else { // pokud nejsou volné žádné židle
     V(accessSeats) // musí vlákno ještě uvolnit zámek čekárny
     // zákazník odchází neostříhán
   }
 }

Výše popsaný algoritmus zabraňuje deadlocku. Jak lze však vidět na procesu zákazníka, může vyústit v situaci, kdy jeden zákazník opakovaně přichází do holičství a nikdy nenajde žádnou volnou židli v čekárně, tudíž nikdy není ostříhán. Proces tak nikdy nemůže doběhnout do konce a nastává situace nazývaná resource starvation neboli hladovění procesu po zdrojích.

V Javě není třeba psát semafory, využijeme-li klíčové slovo synchronized. Program pak probíhá stejně, jako s použitím semaforů, ty však není třeba explicitně psát a o režii se stará virtuální stroj. Synchronizované mohou být celé metody (uvedením synchronized v hlavičce), vybrané bloky kódu (ve složených závorkách za synchronized) nebo datové kolekce. Synchronizovaný kód může v jednom okamžiku vykonávat pouze jedno vlákno, druhé příchozí vlákno musí čekat.

Synchronizované metody budou vypadat následovně:

• ve třídě holiče metoda zjištění stavu a metoda/blok, během kterého probíhá stříhání; metody se budou volat z vlákna zákazníka
• ve třídě obsluhující „čekárnu“ synchronizované metody pro zjištění počtu obsazených židlí (budou provádět zákazníci i holič), výběr zákazníka (bude provádět holič) a obsazení židle (budou provádět zákazníci). Tyto metody nahradí funkci semaforu Customers z předchozího příkladu, takže ve třídě zákazníka už žádné synchronizované metody potřeba nejsou.

Ještě snazším řešením je využití synchronizovaných front. Od verze 5 je součástí standardní instalace Javy také balíček java.util.concurrent, který obsahuje kromě jiného rozhraní (interface) BlockingQueue, jeho potomka BlockingDeque a několik jejich implementací. Fronta, jejíž kapacita je omezená, symbolizuje čekárnu. Pro programátora je nejjednodušší, aby vlákno holiče provádělo v nekonečné smyčce metodu take (výběr zákazníka z čekárny; je-li prázdná, vlákno holiče čeká) a vlákna zákazníků se zařazovaly do fronty metodou put (je-li čekárna plná, vlákno zákazníka čeká). V tomto případě ani není nutné zjišťovat obsazenost čekárny – fronta toto obstarává automaticky.

Jedna z implementací BlockingQueue, ArrayBlockingQueue, poskytuje volitelnou funkci „spravedlivosti“ (fairness policy). Při nastavení této volby na true se vlákna čekající na uvolnění kapacity ve frontě řadí dle pořadí příchodu, čímž řeší výše zmíněný problém hladovění po zdrojích.