並行プログラミング(2)



複数のスレッドが同じデータを操作する時は,予測の付かない動きをするこ ともある.次のプログラムは,10個のスレッドが,圧力計の値を見て,安全な ら圧力を加えるというプログラムである.
// pressureを Threadのサブクラスとして定義
// Threadによって動く実体とする
class pressure extends Thread{
  // 圧力が安全圏内なら加える
  static void RaisePressure(){
    // 現在の圧力が制限値よりも15を超して少ないなら
    int pval=p.pressureGauge;
    if(pval < p.safetyLimit-15){
      // わざと 100ms(0.1秒)待つ
      try{sleep(100);} catch(Exception e){}
      // 圧力を15加える
      p.pressureGauge+=15;
      System.out.println("pval="+pval+", p.pressureGauge="+p.pressureGauge);
    }
    else{
      System.out.println("Failed adding pressure");
    }
  }
  // pressureのインスタンスに対して startするとここが呼ばれる.
  public void run(){
    RaisePressure();
  }
}

public class p {
  // pクラスの静的変数なのでプログラム全体から共有される
  // 圧力値
  static int pressureGauge=0;
  // 圧力の制限値
  static final int safetyLimit=20;
  
  public static void main(String[] args){
    pressure [] p1=new pressure[10];
    int i;
    // 10個の Threadを作り,次々と作成
    for(i=0;i<10;i++){
      p1[i]=new pressure();
      p1[i].start();
    }
    // すべてのスレッドが終了するのを待つ
    try{
      for(i=0;i<10;i++) p1[i].join();
    }
    catch (Exception e){}
    System.out.println("gauge reads "+pressureGauge+", safe limit is 20");
  }
}
これを実行すると,
pval=0, p.pressureGauge=15
pval=0, p.pressureGauge=30
pval=0, p.pressureGauge=45
pval=0, p.pressureGauge=60
pval=0, p.pressureGauge=75
pval=0, p.pressureGauge=90
pval=0, p.pressureGauge=105
pval=0, p.pressureGauge=120
pval=0, p.pressureGauge=135
pval=0, p.pressureGauge=150
gauge reads 150, safe limit is 20
となり,範囲を超えてしまうだろう.これを防ぐために,Java言語では相互排 他(mutual exclusion)を実現するためのsynchronized というキーワードを用 意してある.この使い方は,メソッドにつける.ブロックにつけるなどいろい ろある.先ほどの例では,
// pressure1を Threadのサブクラスとして定義
// Threadによって動く実体とする
class pressure1 extends Thread{
  // 圧力が安全圏内なら加える
  static synchronized void RaisePressure(){
    // 現在の圧力が制限値よりも15を超して少ないなら
    int pval=p1.pressureGauge;
    if(pval < p1.safetyLimit-15){
      // わざと 100ms(0.1秒)待つ
      try{sleep(100);} catch(Exception e){}
      // 圧力を15加える
      p1.pressureGauge+=15;
      System.out.println("pval="+pval+", p1.pressureGauge="+p1.pressureGauge);
    }
    else{
      System.out.println("Failed adding pressure");
    }
  }
  // pressureのインスタンスに対して startするとここが呼ばれる.
  public void run(){
    RaisePressure();
  }
}

public class p1 {
  // p1クラスの静的変数なのでプログラム全体から共有される
  // 圧力値
  static int pressureGauge=0;
  // 圧力の制限値
  static final int safetyLimit=20;
  
  public static void main(String[] args){
    pressure1 [] p1=new pressure1[10];
    int i;
    // 10個の Threadを作り,次々と作成
    for(i=0;i<10;i++){
      p1[i]=new pressure1();
      p1[i].start();
    }
    // すべてのスレッドが終了するのを待つ
    try{
      for(i=0;i<10;i++) p1[i].join();
    }
    catch (Exception e){}
    System.out.println("gauge reads "+pressureGauge+", safe limit is 20");
  }
}
のようにRaisePressureにsynchronized というキーワードを付けると,同じク ラスのオブジェクトが,RaisePressureを同時に実行するのを防ぐことができ る.
メソッドRaisePressureが static になっていないと,synchronizedにより, 「同時には実行しない」単位が,「同じインスタンスに対するメソッド RaisePressureの呼び出し」というものになるので,このケースではふさわしくない.

スレッドを使ったアプレットのアニメーションを見てみる.
// < applet code="Test15" width=400 height=400 ></applet>
import java.applet.*;
import java.awt.*;
public class Test15 extends Applet implements Runnable{
// スレッドの宣言
  public Thread th=null;
  int x=50,y=20,dx=4,dy=0;
  public void paint(Graphics g){
    g.setColor(Color.white);
    g.fillRect(0,0,200,200);
    g.setColor(Color.black);
    g.drawLine(0,150,200,150);
    g.setColor(Color.red);
    g.drawString("Click me", x, y);
  }
// Runnable な Applet はまず, start メソッドが呼ばれる
  public void start(){
// スレッドができていない時はここで作成する
    if(th==null){ th=new Thread(this); th.start();}
  }
// stop メソッドを作っておかないと, WWWブラウザで別のページに行っても動き続けてしまうことがある. 
  public void stop(){
    if(th!=null){ th=null;}
  }
// Runnable な Appletでは, run メソッドが実行の主体となる
  public void run(){
    while(th != null && th.isAlive()){
      dy=dy+2;x=x+dx;y=y+dy;
      if(x<10){	x=10+(10-x); dx= -dx; }
      else if (x>150){ x=150-(x-150); dx= -dx; }
      if(y>150){ y=150-(y-150); dy= -dy;}
// 画面の更新. これを忘れると変更の結果が表示されない
      repaint();
//  Threadクラス  のsleep メソッドで ミリ秒単位の sleep(休止) を指定できる.
      try { Thread.sleep(200); }
      catch(InterruptedException e){}
    }
  }
}
アプレットの中でアニメーション(リアルタイムゲームを含む)をするのは結構 面倒である.まず,アプレットにはmainがない(書いても呼ばれない)ので,明 示的にスレッドを作る必要がある.アプレットは Applet クラスのサブクラス で作らなくてはいけないので,Runnable インタフェースを継承することになる.

mainがないのでどこで,実行のためのスレッドを作るかということだが, initメソッドの中で作るのも可能だが,一度スレッドを作るとWWWブラウザで 他のページに移っても動き続けるというのはやっかいなので,アプレットのあ るページに移動した際に呼ばれる start メソッドの中で作って,アプレット のあるページから抜けた際に呼ばれる stop メソッドの中で終了させるのが一 般的である.BallGame.java をアプレットとして書き直したのが以下 のプログラムである.

// <applet code=BallGameApplet width=300 height=600></applet>
import java.applet.*;
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;

public class BallGameApplet extends Applet implements KeyListener, MouseListener, Runnable{
    // ボールの座標,速度のx, y成分の宣言
  int ball_x=100,ball_y=100,ball_vx=16,ball_vy=12;
    // ボールの大きさ
  int ball_size=20;
    // 画面の幅,高さ
  int width=300, height=600;
    // バーの座標
  int bar_x=0, bar_y=550;
    // バーの速度
  int bar_vx=0;
    // バーの幅,高さ
  int bar_width=60,bar_height=10;
    // BallGameクラスのコンストラクタ
    // アニメーションを行うためのスレッド
  public Thread th=null;
    // WWWブラウザがアプレットを含むページに来たときに呼ばれる.
  public void init(){
    System.out.println("init is called");
    addKeyListener(this);
    addMouseListener(this);
    requestFocus();
  }
  public void start(){
    System.out.println("start is called");
      // スレッドができていない時はここで作成する
    if(th==null){ th=new Thread(this); th.start();}
  }
  public void stop(){
    System.out.println("stop is called");
      // スレッドがある時はスレッドを止める
    th=null;
  }
    // 上のstartメソッドの中で,th.start()が呼ばれるとスレッドからこの
    // メソッドが呼ばれる.
  public void run(){
    Thread thisThread=Thread.currentThread();
    while(th==thisThread){
        // 0.1秒(100ミリ秒)スリープする
      try { th.sleep(100); }
      catch(Exception e){}
        // ボール,バーの移動をおこなう
      timeTick();
    }
  }
  void timeTick(){
      // バーの移動
    bar_x=bar_x+bar_vx;
      // 左端から飛び出そうになったら左端に合わせる
    if(bar_x<0) bar_x=0;
      // 右端から飛び出そうになったら右端に合わせる
    else if(bar_x+bar_width >width) bar_x=width-bar_width;
      // ボールの移動.古い座標を保存
    int old_x=ball_x;
    int old_y=ball_y;
      // 速度に従って,次の座標を決定
    ball_x=ball_x+ball_vx;
    ball_y=ball_y+ball_vy;
      // 左端から飛び出そうになったら,反射させる
    if(ball_x<0){
      ball_x= -ball_x;
      ball_vx= -ball_vx;
    }
      // 右端から飛び出そうになったら,反射させる
    else if(ball_x >width-ball_size){
      ball_x=(width-ball_size)-(ball_x-(width-ball_size));
      ball_vx= -ball_vx;
    }
      // 上端から飛び出そうになったら,反射させる
    if(ball_y<0.0){
      ball_y= -ball_y;
      ball_vy= -ball_vy;
    }
      // バーのある線を通過しそうになったら,
    else if(ball_y >bar_y && old_y<=bar_y){
        // バーのある線を横切るX座標を計算
      int x=old_x+(ball_x-old_x)*(bar_y-old_y)/(ball_y-old_y);
        // バーと接触している場合は反射させる.
      if(bar_x <= x && x<=bar_x+bar_width){
        ball_y=bar_y-(ball_y-bar_y);
        ball_vy= -ball_vy;
      }
    }
      // 下端から飛び出そうになったら,反射させる
    else if(ball_y > height){
      ball_vy=-ball_vy;
    }
      // 再表示
    repaint();
  }
  public void update(Graphics g){
    paint(g);
  }
  public void paint(Graphics g){
      // 描画色を黒にする.
    g.setColor(Color.black);
      // 全体を塗り潰す
    g.fillRect(0,0,width,height);
      // 描画色を白にする.
    g.setColor(Color.white);
      // 警告文字列を(0,200)の点を左下にして描く
    g.drawString("Not a game, but a excercise in CP1(Tue/tanaka)",0,200);
      // 描画色を赤にする.
    g.setColor(Color.red);
      // ボールを描く
    g.fillOval(ball_x,ball_y,ball_size,ball_size);
      // オフスクリーンイメージへの描画色を青にする.
    g.setColor(Color.blue);
      // バーを描く
    g.fillRect(bar_x,bar_y,bar_width,bar_height);
  }
    // キーが押された時にこのメソッドが呼ばれる.
  public void keyReleased(KeyEvent e){}
  public void keyTyped(KeyEvent e){}
  public void keyPressed(KeyEvent e){
    System.out.println("keyPressed("+e+")");
    int key=e.getKeyChar();
      // 'h' のキーが押された時は,バーの移動速度を -10に
    if(key=='h'){
      bar_vx= -10;
    }
      // 'l' のキーが押された時は,バーの移動速度を 10に
    else if(key=='l'){
      bar_vx=10;
    }
      // 'j' のキーが押された時は,バーの移動速度を 0に
    else if(key=='j'){
      bar_vx=0;
    }
    else if(key=='q'){
      System.exit(0);
    }
  }
  public void mouseReleased(MouseEvent e){}
  public void mousePressed(MouseEvent e){
    System.out.println(e);
  }
  public void mouseClicked(MouseEvent e){}
  public void mouseEntered(MouseEvent e){}
  public void mouseExited(MouseEvent e){}
}
アプレット