جاوا میں ملٹی تھریڈنگ

ہائے! سب سے پہلے، مبارک ہو: آپ جاوا میں ملٹی تھریڈنگ کے موضوع پر پہنچ گئے ہیں! یہ ایک سنجیدہ کامیابی ہے - آپ نے ایک طویل سفر طے کیا ہے۔ لیکن خود کو تیار کریں: یہ کورس کے سب سے مشکل عنوانات میں سے ایک ہے۔ اور ایسا نہیں ہے کہ ہم یہاں پیچیدہ کلاسز یا بہت سے طریقے استعمال کر رہے ہیں: درحقیقت، ہم بیس سے کم استعمال کریں گے۔ یہ زیادہ ہے کہ آپ کو اپنے سوچنے کے انداز کو تبدیل کرنے کی ضرورت ہوگی۔ پہلے، آپ کے پروگراموں کو ترتیب وار عمل میں لایا جاتا رہا ہے۔ کوڈ کی کچھ لائنیں دوسروں کے بعد آئیں، کچھ طریقے دوسروں کے بعد آئے، اور سب کچھ بنیادی طور پر واضح تھا۔ سب سے پہلے، ہم نے کچھ حساب کیا، پھر کنسول پر نتیجہ ظاہر کیا، اور پھر پروگرام ختم ہوا۔ ملٹی تھریڈنگ کو سمجھنے کے لیے، متوازی کے لحاظ سے سوچنا بہتر ہے۔ آئیے ایک بہت آسان چیز سے شروع کرتے ہیں :) تصور کریں کہ آپ کا خاندان ایک گھر سے دوسرے گھر منتقل ہو رہا ہے۔ آپ کی تمام کتابوں کو جمع کرنا اس اقدام کا ایک اہم حصہ ہوگا۔ آپ نے بہت ساری کتابیں جمع کی ہیں، اور آپ کو انہیں خانوں میں ڈالنے کی ضرورت ہے۔ فی الحال، آپ واحد دستیاب ہیں۔ ماں کھانا بنا رہی ہے، بھائی کپڑے پیک کر رہا ہے، اور بہن دکان پر گئی۔ اکیلے، آپ کسی طرح سے انتظام کر سکتے ہیں. جلد یا بدیر، آپ یہ کام خود مکمل کر لیں گے، لیکن اس میں کافی وقت لگے گا۔ تاہم، آپ کی بہن 20 منٹ میں اسٹور سے واپس آجائے گی، اور اس کے پاس اور کچھ نہیں ہے۔ تو وہ آپ کے ساتھ شامل ہو سکتی ہے۔ کام تبدیل نہیں ہوا ہے: کتابوں کو خانوں میں ڈالیں۔ لیکن یہ دوگنا تیزی سے انجام دیا جا رہا ہے۔ کیوں؟ کیونکہ کام متوازی طور پر ہو رہا ہے۔ دو مختلف 'تھریڈز' (آپ اور آپ کی بہن) بیک وقت ایک ہی کام انجام دے رہے ہیں۔ اور اگر کچھ نہیں بدلتا ہے، تو اس صورت حال کے مقابلے میں وقت کا بہت بڑا فرق ہو گا جہاں آپ سب کچھ خود کرتے ہیں۔ اگر بھائی اپنا کام جلد مکمل کر لیں تو وہ آپ کی مدد کر سکتا ہے اور معاملات اور بھی تیز ہو جائیں گے۔

ملٹی تھریڈنگ کے ذریعے مسائل حل ہوتے ہیں۔

ملٹی تھریڈنگ دراصل دو اہم مقاصد کے حصول کے لیے ایجاد کی گئی تھی۔

1. ایک ہی وقت میں کئی چیزیں کریں۔

   مندرجہ بالا مثال میں، مختلف تھریڈز (خاندان کے ارکان) نے متوازی طور پر کئی اعمال انجام دیے: انہوں نے برتن دھوئے، دکان پر گئے، اور چیزیں پیک کیں۔

   ہم پروگرامنگ سے زیادہ قریب سے متعلق ایک مثال پیش کر سکتے ہیں۔ فرض کریں کہ آپ کے پاس یوزر انٹرفیس والا پروگرام ہے۔ جب آپ پروگرام میں 'جاری رکھیں' پر کلک کرتے ہیں، تو کچھ حساب کتاب ہونا چاہیے اور صارف کو درج ذیل اسکرین نظر آنی چاہیے۔ اگر یہ کارروائیاں ترتیب وار انجام دی جائیں، تو صارف کے 'جاری رکھیں' کے بٹن پر کلک کرنے کے بعد ہی پروگرام لٹک جائے گا۔ صارف اس وقت تک 'جاری رکھیں' بٹن اسکرین کے ساتھ اسکرین کو دیکھے گا جب تک کہ پروگرام تمام اندرونی حسابات کو انجام نہیں دیتا اور اس حصے تک نہیں پہنچ جاتا جہاں صارف کا انٹرفیس ریفریش ہوتا ہے۔

   ٹھیک ہے، مجھے لگتا ہے کہ ہم چند منٹ انتظار کریں گے!

   یا ہم اپنے پروگرام کو دوبارہ کام کر سکتے ہیں، یا جیسا کہ پروگرامرز کہتے ہیں، اسے 'متوازی' بنا سکتے ہیں۔ آئیے ایک تھریڈ پر اپنا حساب لگاتے ہیں اور دوسرے پر یوزر انٹرفیس کھینچتے ہیں۔ زیادہ تر کمپیوٹرز کے پاس ایسا کرنے کے لیے کافی وسائل ہوتے ہیں۔ اگر ہم یہ راستہ اختیار کرتے ہیں، تو پروگرام منجمد نہیں ہو گا اور صارف اندر کیا ہو رہا ہے اس کی فکر کیے بغیر اسکرینوں کے درمیان آسانی سے حرکت کرے گا۔ ایک دوسرے کے ساتھ مداخلت نہیں کرتا :)

2. حسابات کو زیادہ تیزی سے انجام دیں۔

   یہاں سب کچھ بہت آسان ہے۔ اگر ہمارے پروسیسر میں ایک سے زیادہ کور ہیں، اور آج زیادہ تر پروسیسرز کرتے ہیں، تو کئی کور ہمارے کاموں کی فہرست کو متوازی طور پر سنبھال سکتے ہیں۔ ظاہر ہے، اگر ہمیں 1000 کاموں کو انجام دینے کی ضرورت ہے اور ہر ایک میں ایک سیکنڈ لگتا ہے، تو ایک کور 1000 سیکنڈ میں فہرست کو ختم کر سکتا ہے، دو کور 500 سیکنڈ میں، تین 333 سیکنڈ سے کچھ زیادہ میں، وغیرہ۔

لیکن جیسا کہ آپ پہلے ہی اس سبق میں پڑھ چکے ہیں، آج کے سسٹمز بہت ہوشیار ہیں، اور یہاں تک کہ ایک کمپیوٹنگ کور بھی متوازی، یا سیوڈو متوازی کو حاصل کرنے کے قابل ہے، جہاں کام باری باری انجام پاتے ہیں۔ آئیے عمومیات کو تفصیلات کی طرف لے جائیں اور جاوا ملٹی تھریڈنگ لائبریری — java.lang.Thread میں سب سے اہم کلاس کو جانیں۔ سخت الفاظ میں، جاوا تھریڈز کی نمائندگی تھریڈ کلاس کی مثالوں سے کی جاتی ہے۔ اس کا مطلب ہے کہ 10 تھریڈز بنانے اور چلانے کے لیے، آپ کو اس کلاس کی 10 مثالوں کی ضرورت ہے۔ آئیے سب سے آسان مثال لکھتے ہیں:

public class MyFirstThread extends Thread {

   @Override
   public void run() {
       System.out.println("I'm Thread! My name is " + getName());
   }
}

تھریڈز بنانے اور چلانے کے لیے، ہمیں ایک کلاس بنانے کی ضرورت ہے، اسے java.lang کا وارث بنانا ہوگا ۔ تھریڈ کلاس، اور اس کے run() طریقہ کو اوور رائیڈ کریں۔ یہ آخری ضرورت بہت اہم ہے۔ یہ run() طریقہ کار میں ہے کہ ہم اپنے تھریڈ کے عمل کے لیے منطق کی وضاحت کرتے ہیں۔ اب، اگر ہم MyFirstThread کی ​​ایک مثال بناتے اور چلاتے ہیں ، تو run() طریقہ نام کے ساتھ ایک لائن دکھائے گا: getName() طریقہ تھریڈ کا 'سسٹم' نام دکھاتا ہے، جو خود بخود تفویض ہوتا ہے۔ لیکن ہم عارضی طور پر کیوں بول رہے ہیں؟ آئیے ایک بنائیں اور تلاش کریں!

public class Main {

   public static void main(String[] args) {

       for (int i = 0; i < 10; i++) {

           MyFirstThread thread = new MyFirstThread();
           thread.start();
       }
   }
}

کنسول آؤٹ پٹ: میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 2 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ ہے-1 میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ ہے-0 میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 3 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 6 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 7 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 4 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 5 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 9 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام Thread-8 ہے آئیے 10 تھریڈز بنائیں ( MyFirstThread آبجیکٹ، جو Thread کو وراثت میں حاصل کرتے ہیں ) اور ہر آبجیکٹ پر start() طریقہ کو کال کرکے انہیں شروع کریں۔ اسٹارٹ() میتھڈ کو کال کرنے کے بعد رن() میتھڈ میں لاجک پر عمل درآمد ہوتا ہے۔ نوٹ: تھریڈ کے نام ترتیب میں نہیں ہیں۔ یہ عجیب بات ہے کہ وہ ترتیب وار نہیں تھے: Thread-0 ، Thread-1 ، Thread-2 ، وغیرہ؟ جیسا کہ یہ ہوتا ہے، یہ اس وقت کی ایک مثال ہے جب 'ترتیباتی' سوچ فٹ نہیں ہوتی ہے۔ مسئلہ یہ ہے کہ ہم نے صرف 10 تھریڈز بنانے اور چلانے کے لیے کمانڈ فراہم کیے ہیں۔ تھریڈ شیڈیولر، ایک خصوصی آپریٹنگ سسٹم میکانزم، ان کے عمل درآمد کے آرڈر کا فیصلہ کرتا ہے۔ اس کا قطعی ڈیزائن اور فیصلہ سازی کی حکمت عملی ایک گہری بحث کے عنوانات ہیں جن پر ہم ابھی غور نہیں کریں گے۔ یاد رکھنے کی اہم بات یہ ہے کہ پروگرامر تھریڈز کے عمل درآمد کے آرڈر کو کنٹرول نہیں کر سکتا۔ صورت حال کی سنگینی کو سمجھنے کے لیے، اوپر کی مثال میں مین() طریقہ کو ایک دو بار مزید چلانے کی کوشش کریں۔ دوسرے رن پر کنسول آؤٹ پٹ: میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ ہے-0 میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 4 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 3 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 2 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ ہے-1 میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 5 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 6 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 8 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 9 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 7 کنسول کی تیسری رن سے آؤٹ پٹ ہے: میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ ہے-0 میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 3 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ ہے-1 میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 2 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 6 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 4 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 9 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 5 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام تھریڈ 7 ہے میں تھریڈ ہوں! میرا نام Thread-8 ہے۔

ملٹی تھریڈنگ سے پیدا ہونے والے مسائل

کتابوں کے ساتھ ہماری مثال میں، آپ نے دیکھا کہ ملٹی تھریڈنگ بہت اہم کاموں کو حل کرتی ہے اور ہمارے پروگراموں کو تیز تر بنا سکتی ہے۔ اکثر کئی گنا تیز۔ لیکن ملٹی تھریڈنگ ایک مشکل موضوع سمجھا جاتا ہے۔ درحقیقت، اگر غلط طریقے سے استعمال کیا جاتا ہے، تو یہ ان کو حل کرنے کے بجائے مسائل پیدا کرتا ہے. جب میں کہتا ہوں کہ 'مسائل پیدا کرتا ہے'، میرا مطلب کسی تجریدی معنوں میں نہیں ہے۔ دو مخصوص مسائل ہیں جو ملٹی تھریڈنگ پیدا کر سکتے ہیں: تعطل اور ریس کے حالات۔ تعطل ایک ایسی صورت حال ہے جہاں متعدد دھاگے ایک دوسرے کے پاس موجود وسائل کے منتظر ہیں، اور ان میں سے کوئی بھی چلنا جاری نہیں رکھ سکتا۔ ہم اگلے اسباق میں اس کے بارے میں مزید بات کریں گے۔ درج ذیل مثال ابھی کے لیے کافی ہوگی: تصور کریں کہ تھریڈ-1 کسی آبجیکٹ-1 کے ساتھ تعامل کرتا ہے، اور وہ تھریڈ-2 آبجیکٹ-2 کے ساتھ تعامل کرتا ہے۔ مزید برآں، پروگرام اس طرح لکھا ہے کہ:

1. تھریڈ-1 آبجیکٹ-1 کے ساتھ تعامل کرنا بند کر دیتا ہے اور جیسے ہی تھریڈ-2 آبجیکٹ-2 کے ساتھ تعامل کرنا بند کر دیتا ہے اور آبجیکٹ-1 پر سوئچ کرتا ہے۔
2. تھریڈ-2 آبجیکٹ-2 کے ساتھ تعامل کرنا بند کر دیتا ہے اور جیسے ہی تھریڈ-1 آبجیکٹ-1 کے ساتھ تعامل کرنا بند کر دیتا ہے اور آبجیکٹ-2 پر سوئچ کرتا ہے۔

ملٹی تھریڈنگ کی گہری سمجھ کے بغیر بھی، آپ آسانی سے دیکھ سکتے ہیں کہ کچھ نہیں ہوگا۔ دھاگے کبھی بھی جگہ نہیں بدلیں گے اور ہمیشہ ایک دوسرے کا انتظار کریں گے۔ غلطی صاف نظر آتی ہے لیکن حقیقت میں ایسا نہیں ہے۔ آپ یہ آسانی سے کسی پروگرام میں کر سکتے ہیں۔ ہم کوڈ کی ان مثالوں پر غور کریں گے جو بعد کے اسباق میں تعطل کا سبب بنتے ہیں۔ ویسے، Quora کی حقیقی زندگی کی ایک بہترین مثال ہے جو بتاتی ہے کہ تعطل کیا ہے۔ 'ہندوستان کی کچھ ریاستوں میں، وہ آپ کو زرعی زمین نہیں بیچیں گے جب تک کہ آپ رجسٹرڈ کسان نہ ہوں۔ تاہم، اگر آپ زرعی زمین کے مالک نہیں ہیں تو وہ آپ کو کسان کے طور پر رجسٹر نہیں کریں گے۔ زبردست! ہم کیا کہہ سکتے ہیں؟! :) اب بات کرتے ہیں ریس کے حالات پر۔ ریس کنڈیشن ایک ملٹی تھریڈڈ سسٹم یا ایپلیکیشن میں ڈیزائن کی خرابی ہے، جہاں سسٹم یا ایپلیکیشن کا عمل اس ترتیب پر منحصر ہوتا ہے جس میں کوڈ کے کچھ حصوں پر عمل ہوتا ہے۔ یاد رکھیں، ہماری مثال جہاں ہم نے تھریڈز شروع کیے تھے:

public class MyFirstThread extends Thread {

   @Override
   public void run() {
       System.out.println("Thread executed: " + getName());
   }
}

public class Main {

   public static void main(String[] args) {

       for (int i = 0; i < 10; i++) {

           MyFirstThread thread = new MyFirstThread();
           thread.start();
       }
   }
}

اب تصور کریں کہ یہ پروگرام ایک روبوٹ چلانے کا ذمہ دار ہے جو کھانا پکاتا ہے! تھریڈ-0 فریج سے انڈے نکالتا ہے۔ دھاگہ -1 چولہا آن کر دیتا ہے۔ تھریڈ -2 ایک پین حاصل کرتا ہے اور اسے چولہے پر رکھتا ہے۔ تھریڈ-3 چولہے کو روشن کرتا ہے۔ تھریڈ-4 پین میں تیل ڈالتا ہے۔ تھریڈ-5 انڈوں کو توڑ کر پین میں ڈالتا ہے۔ تھریڈ-6 انڈے کے چھلکوں کو کوڑے دان میں پھینک دیتا ہے۔ تھریڈ-7 برنر سے پکے ہوئے انڈوں کو ہٹاتا ہے۔ تھریڈ-8 پکے ہوئے انڈے کو پلیٹ میں رکھتا ہے۔ Thread-9 برتن دھوتا ہے۔ ہمارے پروگرام کے نتائج دیکھیں: تھریڈ ایگزیکیٹڈ: تھریڈ-0 تھریڈ ایگزیکیٹڈ: تھریڈ-2 تھریڈ ایگزیکیٹڈ تھریڈ-1 تھریڈ ایگزیکیوٹڈ: تھریڈ-4 تھریڈ ایگزیکیٹڈ: تھریڈ-9 تھریڈ ایگزیکیٹڈ: تھریڈ-5 تھریڈ ایگزیکیٹڈ: تھریڈ-8 تھریڈ executed: Thread-7 Thread executed: Thread-3 کیا یہ کامیڈی کا معمول ہے؟ :) اور یہ سب اس لیے کہ ہمارے پروگرام کا کام تھریڈز کی ترتیب پر منحصر ہے۔ مطلوبہ ترتیب کی معمولی سی خلاف ورزی کے پیش نظر، ہمارا باورچی خانہ جہنم میں بدل جاتا ہے، اور ایک پاگل روبوٹ اپنے اردگرد کی ہر چیز کو تباہ کر دیتا ہے۔ ملٹی تھریڈ پروگرامنگ میں یہ بھی ایک عام مسئلہ ہے۔ آپ اس کے بارے میں ایک سے زیادہ بار سنیں گے۔ اس سبق کو ختم کرتے ہوئے، میں ملٹی تھریڈنگ کے بارے میں ایک کتاب تجویز کرنا چاہوں گا۔ 'جاوا کنکرنسی ان پریکٹس' 2006 میں لکھا گیا تھا، لیکن اس نے اپنی مطابقت نہیں کھوئی ہے۔ یہ ملٹی تھریڈ جاوا پروگرامنگ کے لیے وقف ہے — بنیادی باتوں سے لے کر عام غلطیوں اور اینٹی پیٹرن تک۔ اگر آپ کسی دن ملٹی تھریڈنگ گرو بننے کا فیصلہ کرتے ہیں، تو یہ کتاب ضرور پڑھنی چاہیے۔ اگلے اسباق میں ملتے ہیں! :)