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1 ParallelesProgrammierenmitJava HeinzKredel AkitoshiYoshiday tingassoziiertabermitdemprogrammiersystemjavastehenallehilfs- mittelfurdienutzungdiesertechnikeninbeliebigenanwendungenzur ParalleleProgrammierungwirdoftmitHighPerformanceCompu- Zusammenfassung Verfugung.WirbesprechendieparalleleProgrammierungvonRechnern DenAbschlubildendieneuestenEntwicklungen,wiezumBeispielRMI, wiraufeinigeproblemeundihrelosungmitdenmittelnvonjavaein. Modell.NebendenwesentlichenSprachkonstruktenundKlassengehen RechnernmitverteiltemSpeicher,imNetzwerk-oderKommunikations- mitgemeinsamemspeicher,imsogenanntenthreadmodell,undvon 1 Einleitung CORBAundJavaGrande. theksumgebungparalleleprogrammegeschriebenwerdenkonnen.dabeikonnen zeigen,wiemitderprogrammiersprachejava[1]undderentsprechendenbiblionetewerkzeugezurimplementierungvorhandensind,werdendiesedochnur vonwenigenprogrammierenkonsequentgenutzt.indiesemartikelwollenwir AuchwennparallelesProgrammierenschoneinigeZeiterforschtistundgeeig- wirinderkurzenurdiewichtigstensprachkonstrukteundklassenvorstellen. PerformancevonnumerischenFORTRANoderC++Programmenerreichen,so erleichtertjavaundseineumgebungdochsehrdieentwicklungvonvielenparallelenanwendungen.furjavasprichtauchdieallgemeineverfugbarkeit,und Eswirdaberausreichen,umSievonderLeistungsfahigkeitvonJavafurdiesesGebietzuuberzeugen.AuchwenndieJavaProgrammehinterhernichtdie dieguteintegrationallerfurdieparalleleprogrammierungwichtigenhilfsmittel.somitkonnenauchauszubildende,ohnezugangzueinemparallelrechner ImRestdiesesAbschnittsfuhrenwirkurzindieProblematikdesparallelen zubenotigen,diegrundlagenderparallelenprogrammierungzulernen. Programmierensein.DannbesprechenwirimnachstenAbschnitt2zunachst RechenzentrumUniversitatMannheim, kredel@rz.uni-mannheim.de ysapagwalldorf, akitoshi.yoshida@sap-ag.de 1

2 undihrerimplementierungmitjavandensieinunserembuch[4].umden wicklungenein.eineausfuhrlicherebesprechungallernotwendigenkonzepte UmfangfurdiesenArtikelnichtzuuberschreiten,setzenwirimfolgendenelementareKenntnisseinJavavorausgrammierungderKommunikation.InAbschnitt4gehenwiraufneuereEnt- ThreadsundihreProgrammierungundanschlieendinAbschnitt3diePro- 1.1Problemstellung wiezunetzwerkenvonworkstationsundpcsgefuhrt.einekonsequenzdieser DieHardware-EntwicklungderletztenJahreundJahrzehntehatzueinerweiten VerbreitungvonMultitasking-Betriebssystemen,MultiprozessorRechnernso- Entwicklungwares,danunverschiedene(Berechnungs-)Aufgabengleichzeitigundnebeneinanderbearbeitetwerdenkonnen.DieProgrammierungdieser SystemewirdalsParalleleoderNebenlaugeProgrammierungbezeichnet;im umdiegleichzeitigebearbeitungauszudrucken: Englischenwirdetwastreendervon`concurrentprogramming'gesprochen.Die SoftwaremitderdieSystemeprogrammiertwerden,hatfolgendeHilfsmittel, ErzeugenundAnstoenvonAufgaben SynchronisierungdesZugrisaufRessourcen KoordinierungderRessourcen AusderSichteinesProgrammierersbestehtdieAufgabewahrendderEntwick- InformationsaustauschzwischennebenlaugenProgrammen DenitionvonVerbindungen(Kanalen)zurKommunikation rithmusundderverwendetendatenstrukturen.inderparallelenprogrammie- denenmoglichkeitenderdatenhaltungzuberucksichtigen:datenimgemein- samen(haupt-)speicheroderdatenverteiltauflokalespeicherinvernetzten lungvonprogrammenindergeeignetenwechselseitigenabstimmungdesalgo- runggiltes{unabhangigvonderzugrundeliegendenhardware{dieverschie- Rechnern.ImerstenFallmudergemeinsameZugrimehrererProgrammeauf diesedatensynchronisiertwerden;imzweitenfallmussendiedatenzwischen tetimerstenfalleineverringerungderzugriskonikte,imzweitenfalleine denrechnerntransportiertwerden.dieoptimierungderprogrammebedeu- VerringerungdesDatentransports. ZurImplementierungparallelerProgrammestehenimWesentlichenzweiTechnikenbereit:ProzesseoderThreads.ProzessesindeigenstandigeProgramme, dievomjeweiligenbetriebssystemunabhangigvoneinanderzurausfuhrunggebrachtwerden.unterdosundwindowssinddasalsodieexe-dateienund unterunixdienormalenbinaries(a.out-dateien).prozessekonnenuberverschiedenehilfsmittelmitanderenprozesseninkontakttreten:tcp/ipsockets, 2

3 MessagePassingBibliotheken(wiePVM[2]oderMPI[3]),Pipelines(uberdie Standard-Eingabeund-Ausgabe)oderubergemeinsameSpeicherbereiche,die vombetriebssystemangefordertwerden.threads,auchausfuhrungsfadengeverbindungen.nurdielokalendatenderunterprogrammesindinjedemthread denglobalendatengehorenglobalevariablen,datei-handlesundauchnetzzessen.injedemthreadwirdeinunterprogrammausgefuhrt,dasuneingeschranktenzugriaufalleglobalendatendesumgebendenprozesseshat.znannt,sindkeineeigenstandigenprogramme,sondernvielmehrteilevonpro- verschieden. konstrukteoderdurchexternebibliothekenrealisiertsein. 2DieThreadFunktionalitatkanninProgrammiersprachendurcheigeneSprach- ThreadProgrammierung Verfugung.InAdagehorenThreads,hier\Tasks"genannt,zumSprachumfang. InJavastehenThreadsalsBasisklassenzusammenmitSpracherweiterungenzur Bibliothek\Pthread"dar.SieistinOSFDCE(OpenSoftwareFoundation,DistributedComputingEnvironment)enthalten,wirdaberauchaufverschiedenen AlsminimaleLosungwerdeninC,C++,Modula-2,FORTRANundanderen kenangeboten.einestandardisiertebibliothekslosungstelltdieposixthreads ProgrammiersprachenThreadsdurchsprachunabhangigeProgrammbibliothe- anderensystemenangeboten.posixbedeutetportableoperatingsystemix, einstandardisierungskommiteevonieee. AuchdieJavaThreadswerden-jenachPlattform-mitHilfevonPOSIX Betriebssystembereitgestelltwerdenundnichtaufgesetztsind. Threadsimplementiert.ThreadBibliothekenmitahnlicherFunktionalitatwie fureineezienteimplementierungvonthreadsist,dathreadsschonvom POSIXThreadssindz.B.implementiertaufOS/2undWindowsNT.Wichtig dieseauchmodizieren.fallseinthreadalleseineihmzugedachtenaufgaben gemeinsamenressourcen(speicher,dateien,netzverbindungen)zugreifenund diewiederumweiterethreadsgenerierenkonnen.allethreadskonnenaufdie Hauptthreaderzeugtundgestartet.DieserkannnunweitereThreadserzeugen, InjedemProze(sieheAbbildung1)wirdzunachstvomBetriebssystemein enthaltenist,bestehtausfolgendenteilen: Prozesse)bendenkonnen,sind:running,blocked,readyoderterminated. DieJava-ImplementierungvonThreads,dieindemJava-Packagejava.lang getanhat,kannerterminieren.diezustande,indenensichthreads(wieauch 1.derKlasseThreadunddemInterfaceRunnable, 2.demJava-Sprachkonstruktsynchronizedund 3.denMethodenwait(),notify()derBasisklasseObject. 3

4 zabbildung1:threadsinnerhalbvonprozessen Hauptthread?????? Threads Erzeugung Erzeugung Threads z???? zzzzz z z zzzz Join???? Erzeugung?? zzzz Speicher Prozess? Join Join Dateien Netzverbindungen DieBedeutungunddieAnwendungdieserTeilebesprechenwirindennachsten dreiabschnitten. instanziiertwerden,unddannwirdimrichtigenmomenteinemethodedieser Instanzaufgerufen.FurdieKlassegibteszweiMoglichkeiten 2.1ThreadErzeugung InJavamuzurErzeugungvonThreadsinublicherWeiseeinegeeigneteKlasse DieDenitionalsSubklassevonThreadhatdenVorteil,dabequemalleMethodenderThread-Klassegeerbtundsomitverwendetwerdenkonnen.Der BildungeinerKlasse,diedasRunnableInterfaceimplementiert. BildungeinerSubklassederThread-Klasse 4

5 wesentlichenachteildiesesansatzeswirddadurchverursacht,dajavakeinemehrfachvererbungerlaubt.wennzumbeispieleineklassevonderklasse Appletabgeleitetwird,kannsienichtgleichzeitigvonThreadabgeleitetwerden.InderRegelwirddahereinThreaddurcheineKlassedeniert,diedas AusdrucksweisewerdenwiroftvonRunnable-Klassensprechen,wennwirKlassenmeinen,diedasRunnable-Interfaceimplementieren. DerThread-KonstruktorunddieThread-Methodenstart()undjoin()haben diefolgendenspezikationen. forderungen.wirbevorzugenmeistdiezweitemethode.zurvereinfachungder Runnable-Interfaceimplementiert.DasRunnable-InterfaceverlangtnurdieImplementierungderMethodepublicvoidrun()undhatkeineweiterenAn- publicsynchronizedvoidstart() publicfinalvoidjoin()throwsinterruptedexception publicthread(threadgroupgroup,runnabletarget,stringname) publicthread(runnabletarget,stringname) publicthread(runnabletarget) MiteinerThreadGrouplassensichGruppenvonThreadsdenieren.Aufdie Threadsanwenden.FallsderThreadkeinerbesonderenThreadGroupangehoren muunderauchkeinennamenhabenbraucht,reichtdieerstevariante gesamtegruppelassensichdannoperationenzursteuerungdermitglieder- Thread(Runnabletarget).Mitderstart()-MethodevonThreadwirddann dierun()-methodederklassemyrunnablegestartet.mitderjoin()-methode vonthreadkannaufdienormalebeendigungdesthreadsgewartetwerden. Threadkenntnochdiestop()-Methode,mitdereinlaufenderThreadabgebrochenwerdenkann.Normalerweisewirdmanstop()seltenbenutzenundliebetrachtenwirfolgendeProgrammteile. einverfahrenimplementieren,daszueinernormalenterminierungderthreads UmeinenerstenEindruckeinesparallelenJava-Programmszubekommen,be- fuhrt.stop()sollabjava1.2nichtmehrverwendetwerden. } classactionimplementsrunnable{ publicvoidrun(){dosomework(var);} intvar; publicaction(intv){var=v;} tornimmteinenparameterentgegen,derdanninderfunktiondosomework() inderrun()-methodeverwendetwird.dierun()-methodewirdspatervonder DerersteTeildenierteineKlasse,dieRunnableimplementiert.DerKonstruk- jeweiligenstart()-methodegestartet. Threadt2=newThread(newAction(2)); Threadt1=newThread(newAction(1)); 5

6 try{t1.start();t2.start();t3.start(); Threadt3=newThread(newAction(3)); }catch(interruptedexceptione){...} t1.join();t2.join();t3.join(); DerzweiteTeilzeigtdieErzeugungvondreiThreadst1,t2undt3.DieThreads werdenjeweilsmiteinerneueninstanzderklasseactionerzeugt.dannwerden diethreadsderreihenachmitti.start()gestartet.anschlieendwirdmit dreiti.join()aufdieterminierungderthreadsgewartet. 2.2SynchronisationvonkritischenBereichen dieseunerwunschtenuberlappungenzuvermeiden,isteserforderlich,dasich fenwird.andiesenstellenisteinigevorsichtgeboten,dasonstdiewertedieser VariablenamProgrammendefalscheoderzufalligeWerteenthaltenkonnen.Um konnen,kannespassieren,dagleichzeitigaufeinunddieselbevariablezugegrif- Dainnerhalbderverschiedenenrun()-MethodenglobaleVariablenvorkommen globalenspeicherinnebenlaugenprozessenstattndenundsichtbarwerden, Dawirnichtverhindernkonnen,daSchreib-oderLese-Operationenaufden dieabarbeitungsschritteaufeinanderabstimmen(conditionsynchronization). Programmteilegegenseitigausschlieen(mutualexclusion)odergegebenenfalls dortebenfallseinpassendeshaltekonstrukteinfugen.diesistkeinesogroeeinschrankungwieeszunachstaussehenmag,dennwirkonnendievariablen,die wirbeibedarfnichtnurlokaleinhaltekonstrukteinfugen,sondernwirmussen allegefahrdeten\kritischen"bereicheinallenthreadsausndigmachenund anzuhalten,derdiezustandsanderungennichtsehensoll.diessetztvoraus,da benotigenwireinentrick.dieserbestehtdarin,denthreadinderausfuhrung erreichenwirdurchdassynchronized-sprachkonstrukt. DasJava-SprachkonstruktsynchronizedhatdiefolgendenVarianten. dizierungdurchgeeignetemethodenkontrollieren.dasanhaltenderthreads inkritischenstatementsvorkommen,oftineinerklasseisolierenundihremo- staticsynchronizedtypemethodname(...){...} synchronizedtypemethodname(...){...} synchronized(staticobject){...} synchronized(object){...} ausgefuhrt,sostelltdasjava-laufzeitsystemsicher,daimmernurmaximalein ThreaddieStatements{...}ausfuhrenkann.Mansprichtdannauchdavon, denenthreadseinsynchronized(object)aufeinbestimmtesobjektobject DieersteVariantebenutzteineObjektinstanzobjecteinerbeliebigen,vonder Object-KlasseabgeleitetenKlassealsHaltepunkt.Dasheit:wirdinverschie- 6

7 immernureinmalzueinemgegebenenzeitpunktaktivsein.mansprichtdann damaneinen\lock"dasobjektsetzt(esalso\verschliet").ein\lock"kann werdendannauchals\mutex"bezeichnet. auchvongegenseitigemausschlu(\mutualexclusion").die\lock"-objekte \lock"nuraufeineinstanzeinesobjekts.dasheit,mehrereinstanzeneines Objektshabendannverschiedene\locks",dieuntereinandernichtsynchronisiert einmalstatt,dadasobjektnureinmalvorhandenist,sonstbeziehtsichder FallsdasObjektalsstaticdeklariertist,ndetein\lock"Systemweitnur sind. DieSemantikvonsynchronizedtypemethodName(...){S1;...;Sn;} entsprichtdervon typemethodname(...){ Dieszeigtauch,daMethodeneinerKlasse,dienichtalssynchronizeddekla- } synchronized(this){s1;...;sn;} nisationstatt.damitstelltjavaauchkeineechtenmonitore,wiesievonhoa- reentwickeltwurden,zurverfugung.nurwennallenicht-private-methoden synchronizedsindundesnurprivate-variablengibt,erhaltmanetwasahn- 2.3WartenaufBedingungen licheswieeinenmonitor. riertsind,freiaufdieinstanzendatenzugreifenkonnenesndetkeinesynchro- NachdemwirdiekritischenBereicheimGrihaben,stellenwirunsdemletzten Problem.WennwirzumBeispieleineSummeineinerglobalenVariablenbilden wollen,mussenwirdenzugridaraufmitsynchronized()kontrollieren,aber bevorwiruberhauptanfangenzusummieren,musichersein,dadievariable initialisiertist.beidemsummen-beispielkonnenwirdasmachen,indemwir diethreadserstnachderinitialisierungerzeugen.beikomplexerendatenstrukturenwerdenwiraberunterumstandendieinitialisierungmitindiethreads ZurVerfugungstehenunsdieObject-Funktionenwait()undnotify()mit dieserschrittabgeschlossenist. einbeziehen.indiesersituationbenotigenwireinemoglichkeitzuwarten,bis denfolgendenspezikationen: publicfinalvoidnotifyall() publicfinalvoidnotify() publicfinalvoidwait()throwsinterruptedexception publicfinalvoidwait(longtimeout) throwsinterruptedexception 7

8 sesobjektsaufruftoderbiseintimeoutstattndet.dannwartetderthread (\blocked"),undgleichzeitigwirdderlockaufdiesenabschnittfreigegeben. DerThreadwartetnun,biseinandererThreaddienotify()-Methodedie- BeiAufrufvonwait()wirdderaufrufendeThreadindenWartezustandversetzt bestimmbar,welcherthreadaufgewecktwird. imwait-zustandauf.fallsmehrerethreadswarten,istnichtvorhersehbaroder wirddannwieder\ready"(\runnable").notify()wecktgenaueinenthread eventuellnocheinmal,biserdenlockaufdenabschnittwiedererhalt,und DieMethodewait()darfnurinnerhalbeinesAbschnittsaufgerufenwerden, dermitsynchronizedgeschutztist. notifyallwecktalleandiesemobjektwartendenthreadsauf.variantenvon inpthreads)garantierennicht,danurgenaueinthreadaufgewecktwird.dort wirdspeziziert,damindestenseinthreadaufgewecktwird. DienotifyentsprechendenFunktioneninanderenThread-Paketen(wiesignal EsmunundieBedingungerneutgetestetwerden,umfestzustellen,obnurdie hatte.dasheit,auchderlockwirddannwiedervondiesemthreadgehalten. Zeitverstrichenist,terminiertdieMethode,alsobeinnotify()stattgefunden wait()mittimeoutsinddas`timedwait',beidemeinezeitangegebenwird,wie ZeitabgelaufenistoderdieBedingungtatsachlicherfulltist. langemaximalaufdaseintreteneinerbedingunggewartetwerdensoll.fallsdie WennwiraufdieErfullungeinesbeliebigenBooleschenAusdruckswartenwollen,mussenwirfurjedesemantischverschiedeneBedingungeineeigeneBedingungsvariable(d.h.eineigenesObjekt)einfuhreneinandereinnotifyausgelostwerdenkann,istesfurdenwartendenThread konnte,unddortwird,fallsja,mitnotify(odernotifyall)dereintrittder Bedingungsignalisiert.DavonmehrerenThreadsgleichzeitigoderkurzhinter- StellenindasProgrammverlegt,andenendieBedingungwahrgewordensein FurjedeBedingungwirddannihrTest,obsiewahrist,analle(wichtigen) inderzwischenzeitschonwiederungultiggemachthabenkonnte. EinweiteresProblementstehtdadurch,daz.B.notify()vorwait()ausgefuhrtwerdenkonnte,wasdeneinenThreadaufimmerblockierenwurde(sogenannte\lostsignals").EineLosungzudiesemProblemstellenSemaphore wichtig,dieverzogerungsbedingungerneutzutesten,daeinweitererthreadsie dar,dieimbuch[4]inabschnitt3.4besprochenwerden. 2.4Zusammenfassung WirhabendiewichtigstenJavaSprachkonstruktezurThreadProgrammierung vorgestellt.anwendungensindzumbeispielsemaphore,barrierenunddas Bounded-Buer-Problem,sowiedieVerwendungvonThreadsinderApplet- denthreadsextensivangewendet. Programmierung,aufdiewirhieraberinderKurzenichteingehenkonnen. AuchindenEnterpriseJavaBeansundindenneuenJavaSwingKlassenwer- 8

9 Cluster)benotigenspezielleLeitungenzurKommunikation.(Ethernetund MehrprozessorsystemeohnegemeinsamenHauptspeicher(wiez.B.Workstation- 3 ProgrammierungderKommunikation plizitebefehlezumsendenundempfangenvondatenbenotigt.derschutzvon netenleitungenundubertragungsprotokollen.zurkommunikationwerdenex- DieProgrammierungsolcherSystemeerfordertdaherdieDenitionvongeeig- TCP/IPbeiWorkstation-Clustern,Dateien(bzw.Pipes)beiUnix-Prozessen). gemeinsamenvariablenistnichtmehrerforderlich,daalleprogrammteileals kritischebereicheausgefuhrtwerden.dasschemadesnachrichtenaustauschs istinabbildung2dargestellt. # Abbildung2:SchemadesNachrichtenaustauschs Netzkarte "! Sender Verbindungskanal #? Netzkarte "! 6Empfanger - Netzwerk - DieJava-Socket-KommunikationbasiertaufdendurchdasInternetbekannten ketcp/ip{wennauchmanchmalmitschlechtererperformancealsspeziell damitfursockets.insbesondereunterstutzenauchhighperformancenetzwertriebssystemenunterstutzt.auchnahezujedetreiber-softwarevonnetzwerk Hardware(LeitungenundRechnerkarten)bietetUnterstutzungfurTCP/IPund TCP/IPSockets.DieseSocketswerdenmittlerweilevonpraktischallenBe- angepatesoftware. SocketsstellenausProgrammiersichtdieSoftware-SchnittstellezueinemNetz- WirbeschrankenunsindiesemArtikelaufdieErlauterungdeseinfachstenFalls dateienangelegtundverwaltetwerdenmussen.java-netzwerk-supportbendet sichimpackagejava.net. werkdar.sieentsprechenetwadenfilehandles,diefurdenzugriaufplatten- einereinzigenpunkt-zu-punktverbindung.zumbeispielkonnenwirdamit 9

10 3.1AufbauvonVerbindungskanalen nichtdirekt1-zu-n-oderm-zu-n-verbindungsnetzwerkerealisieren. wartetdannaufeinenverbindungswunschvomanderenende.dasanderekanalende(derclientsocket)bautebenfallszuerstseinedatenstrukturenaufund eineskanalszubekommen,wirddiesocket-verbindungunsymmetrischaufgebaut.einkanalende(derserversocket)bautseinedatenstrukturenaufund ServerSocketundSocket.UmeineKontrolleubereinenkorrektenAufbau ZurImplementierungdieserKlassenverwendenwirvonJavadieKlassen erstbeieinemfolgendensendenundempfangenfestgestellt,daeineverbindunggarnichtzustandekam. versuchtdann,eineverbindungzuranderenseiteaufzubauen.gelingtdiesauf beidenseiten,bestehteinzuverlassigerverbindungskanal.eswirdalsonicht istwiefolgt. DieSpezikationdesServerSocket-KonstruktorsundderbenotigtenMethode DerKonstruktorServerSocketerzeugteinenneuenServerSocketandeman- publicsocketaccept()throwsioexception publicserversocket(intport)throwsioexception zuruck.diefunktionblockiertsolange,biseineverbindungzustandekommt. aufdementsprechendenportundgibtdanneinensocketfurdieverbindung gegebenenport.eineportnummer0erzeugteinensocketaneinembeliebi- genfreienport.diefunktionaccept()wartetaufeinenverbindungswunsch EsfolgendieSpezikationendesSocket-KonstruktorsundderbenotigtenMethoden. publicinputstreamgetinputstream()throwsioexception publicoutputstreamgetoutputstream()throwsioexception publicsocket(stringhost,intport) throwsunknownhostexception,ioexception DerKonstruktorSocketerzeugteinenneuenClientSocketzudemangege- OutputStreambestehenausFolgenvonBytes. tierteundunstrukturiertefolgevondaten.diestromeinputstreamund benenhostundport.dersocketstellteineneingabe-undeinenausgabe- getoutputstream()zugegrienwerdenkann.einstromisteineunforma- StromzurVerfugung,aufdiemitdenMethodengetInputStream()und (serialisierbare,serializable)objekteuberdenkanalausgetauschtwerden wendenindiesemabschnittobjectstreams,dadamitsehrexibelbeliebige codezeichenkonntenwirdiestromereaderundwritereinsetzen.wirver- ZudenEingabe-undAusgabe-StromenkannnuneinzudenAnforderungenpassenderDatenstromzugeordnetwerden.FurFolgenvonreinenUni- 10

11 mentierenindenobjekt-stromenakzeptiert.objekt-serialisierungisteinsder Daten-StromekonnensowohlDatei-StromealsauchNetzwerk-Socket-Strome sein.eswerdennurobjekte,diedasjava.io.serializableinterfaceimple- ineinendaten-stromumwandelnundtypsicherversendenoderempfangen. konnen.einobjekt-stromkanneinfacheundzusammengesetztejava-objekte wesentlichenneuenfeaturesvonjava1.1. jektenwiefilehandlesmachtdieserialisierungnaturlichkeinensinn,dennein FilehandlezeigtvielleichtaufeineDatei,dieaufeinemanderenRechnernicht lisierung,mumandieklasseselbstkodierenundsenden.beimanchenob- vonjavaautomatischdurchgefuhrt.uberschreibtmandieautomatischeseria- FallseineKlasseSerializableimplementiert,wirddieObjekt-Serialisierung existiert. DieSpezikationderbenotigtenKonstruktorenundMethodenistwiefolgt. publicobjectoutputstream(outputstreamout)throwsioexception publicvoidflush()throwsioexception DerKonstruktorObjectOutputStreamerzeugteinenneuenObjekt-Ausgabe- publicobjectinputstream(inputstreamin) strom,zueinemgegebenenoutputstream.zuerstwirdeinstrom-headerge- schrieben,dereineeindeutigeidentikationderobjekt-strom-klasseenthalt. Mitflush()wirdsichergestellt,dadieserHeaderunmittelbarverschicktwird, damitdiegegenseitediedatensoforteinlesenkann. DerKonstruktorObjectInputStreamerzeugteinenneuenObjekt-Eingabelesen.PasstdieIdentikationimHeadernichtzudereigenen,weilbeispiels- VersionuberdasNetzkommen,sowirdeinFehlerausgelost(hieristdas StreamCorruptedException).DerKonstruktorblockiert,biseinObjekt-AusweisedieDatenvoneinemanderenRechnermiteinerinkompatiblenJDKstrom,zueinemgegebenenInputStream.ZuerstwirdeinStrom-Headerge- throwsioexception,streamcorruptedexception 3.2SendenundEmpfangen gabe-stromdieentsprechendendatengesendethat. diesend-operationsowohlsynchronalsauchasynchronarbeiten: ve).wahrendderaufrufderempfangs-operationimmerblockierendist,kann Operation(send)undaufderanderenSeiteeineEmpfangs-Operation(recie- ZureigentlichenDatenubertragungbenotigenwiraufeinerSeiteeineSendasynchronoussend=dasProgrammwirdnachdemEinstellenderDateniminiertauch,wenndieDatenerstsehrvielspaterbeieinemEmpfanger ankommen. einensendepuerohneweitereverzogerungfortgesetzt,d.h.,sendter- 11

12 synchronoussend=dieweitereprogrammausfuhrungwirdnachdemsend wahrenddassynchronesendnureinenpuerfestergroeerfordert.dieverwendungdessynchronensendistschwieriger,daessehrgenauaufdiezeitlich bisdiedatenvoneinemempfangerwirklichabgenommenwordensind. DasasynchronesenderforderteinenpotentiellunbeschranktgroenPuer, solangeblockiert,biseinentsprechendesreceiveausgefuhrtwurde,d.h. ZurImplementierungderSend-OperationmitJavastehenunsdieFunktion writeobject()ausderklasseobjectoutputstreammitderfolgendenspezi- terstutztmitdensocket-klassennurdasasynchronesend. richtigereihenfolgeallersend-undreceive-operationenankommt.javaun- kationzurverfugung. DieMethodewriteObject()schreibteinObjektaufdenentsprechenden publicfinalvoidwriteobject(objectobj) packtundzusammenmitdemklassennamenundderklassensignaturgeschrie- ben. FurdieEmpfangs-OperationstehtunsdieJava-FunktionreadObject(),aus hatṗublicfinalobjectreadobject() derklasseobjectinputstreamzurverfugung,diediefolgendenspezikation Ausgabe-Strom.DergesamteGraphdesObjektswirdzerlegt(serialisiert),ver- throwsioexception DieMethodereadObject()liesteinObjektvondementsprechendenEingabe- Strom.DergesamteGraphdesObjektswirdgelesen,entpacktundrekonstruiert. throwsoptionaldataexception, ClassNotFoundException,IOException 3.3Zusammenfassung WirhabenindiesemAbschnittdiewichtigstenJava-HilfsmittelzurProgrammierungderKommunikationzwischenProzessenkennengelernt.Furparallele Anwendungen,dieuberdasClient-Server-Schemahinausgehen,werdenallerkutierendingskomplexereImplementierungenbenotigt,diewirin[4]imKapitel5dis- undjavagrande,dieimzusammenhangmitparallelerprogrammierungwichtig 4ImletztenAbschnittgebenwireinenUberblickuberdieThemenRMI,CORBA Ausblick sind. 12

13 4.1RMI DieJavaRemoteMethodInvocationTechnik(RMI),erlaubtdieAusfuhrung vonmethodenaufeinementferntenrechner.dieeingabeparameterwerden eingesetztwird.abbildung3:remotemethodinvocation teprocedurecall(rpc),dasinderkommunikationstechnikschonvielejahre chendemethodewirddortausgefuhrtundanschlieendwirdderruckgabewert uberdienetzverbindungzuruckgeschickt.javarmiistdasanalogonzuremo- ubereinenetzverbindungzueinementferntenrechnergeschickt,dieentspre- Repository lookup - 6 Stub callresult (re)bind A? - Client Skeleton Method B Server DieRMIArchitekturwirdinAbbildung3gezeigt.Computer'A'bezeichnetden Rechner,vondemauseineMethodeaufdementferntenRechner'B'aufgerufenwerdensoll.'Client'bezeichnetdenBenutzerprozessinRechnerA.'Server' bezeichnetdenproze,derdieaufrufbaremethodebereitstellt. DamitdieverwendbarenMethodennichtimProgrammcodeaufderServer Seitefestangegebenwerdenmussen,wirdeinVerzeichnis,genannt'Repository',aufRechnerBgefuhrt.DiesesVerzeichnismuvorbeginnallerRMdenrmi.Naming.bind()oderrmi.Naming.rebind(),umeineKlasseninstanz miteinemnamenbeidemrepositoryzuregistrieren.clients,diemethoden verwendenwollensehenmitrmi.naming.lookup()beidemrepositorynach Aktivitatengestartetsein.Server,dieMethodenbereitstellenwollenverwen- obeingewunschtesobjektvorhandenistundverknupfenesmiteinemlokalen Objekt. 13

14 zeichnungderentferntenmethode)aneine'skeleton'genanntemethodeauf 'Stub'Methodeaktiviert.DiesesendetdieEingabeparameter(miteinerBe- BeimAufrufeinerentferntenMethodeimClientwirdzunachsteinesogenannte temethodeaufundschicktdenreturnwertnachderterminierungdermethode demserver.dieskeletonmethoderuftdannaufdemrechnerbdiegewunsch- andiestubmethodezuruck.dieseubergibtdenwertdannandieaufrufendeprozedur.dereinsatzvonstubundskeletonerfolgttransparent,d.h.ohne spezielleaufrufeseitensderprogrammierers. 4.2CORBA Nachdemeszunachstaussah,alsobJavaRMIalsdirektesKonkurrenzprodukt SunundIBMdieUnterstutzungvonRMIuberdasIIOP(InternetInter-ORB Protokoll).DamitkonnteauchuberRMIaufCORBAObjektezugegrienwerdensetzt,daeineZusammenarbeitfurbeideSeitenvieleVorteilebringt.Mitdem JDK1.2wirdJavavolleCORBAUnterstutzungbieten.Zusatzlichentwickeln zucorbaentwickeltwerdenwurde,hatsichmittlerweiledieeinsichtdurchge- Schnittstellen,diedasZusammenwirkenvonvonObjekteninverteiltenUmgebungenbeschreibt.DiewesentlichenPunktedieserSpezikationsind: DerNameCORBAistdieAbkurzungfurCommonObjectRequestBroker Architecture.CORBAisteineSpezikation,dasheiteineDenitionvon CORBAistunabhangigvoneinerbestimmtenProgrammiersprache.Es CORBAObjektesinddurchdieORB(ObjectRequestBroker)Kommunikations-InfrastrukturtransparentvonClientsundServernzugreifbar undbenutzbar. CORBAermoglichtsogenannte`Multi-Tier'Systeme.DasheitmehrschichtigeverteilteSoftware-Architekturen.StatteinfacherClient-ServetalkundJava. gibtunteranderemcorbaanbindungenfurada,cobol,c++,small- ZurKommunikationzwischenORBsundObjektenmitInternetMittelngibtes SystemlassensichmehrstugeSystemeausClients,mehrerenverschiedenenAnwendungsservernundHintergrundprozessenwieDatenbanken dasinternetinter-orbprotokoll(iiop).dasprinzipdercorbaarchitektur istinabbildung4zusammengefat.derorbdeniertdieinfrastrukturfur realisieren. bereitgestelltendiensten(objektimplementierungen). VollstandigeInformationenzuCORBAndenSieimInternetaufdemWeb- ServerderOMG: daszusammenwirkenvonanwendern(clients)unddendurchverteilteobjekte ImplementierungdesCORBA2.0StandardsistMICO[5]. CORBAgibtauchdasBuchvonSayegh[6].Einefreiverfugbare,vollstandige 14

15 ClientAbbildung4:ObjectRequestBroker ObjektImplementierung ORB,ObjectRequestBroker & ObjektBenutzung % 6 4.3JavaGrande wendungenverlangenaberanbestimmtenstellennummerischeberechnungen, senungeachtetmittlerweilevielejavaanwendungenentwickelt,derendesign ZielezunachstaufumfangreicheFunktionalitatausgerichtetwaren.DieseAn- oderc++ummehralsdenfaktor10,alsodeutlichlangsamerist,werdendes- Obwohlesunbestreitbarist,daJavazurZeitimVergleichzuFORTRAN zumbeispielzugraphischendarstellungderergebnisse. Bereicheverbessern. MarcSnirvonIBMimForumvertreten.JavaGrandesollJavafurfolgende genvonjavahabensichanfang1998verschiedeneentwicklerzum\javagrande Forum"zusammengefunden.UnterandremsindJamesGoslingvonSunund ZurLosungdiesesProblems,d.h.zurVerbesserungdernummerischenLeistun- HighPerformanceNetworkComputing technisch-wissenschaftlichesrechnen verteiltemodellierungundsimulation AnwendungenmitsehrgroenDatenmengen parallelesundverteiltesrechnen DieZieledesJavaGrandeForumssind: rechenintensivekommerzielleanwendungen StarkungdesPotentialsvonJavaalsEntwicklungsumgebungfur\Grande applications".d.h.javaalsbessereentwicklungsumgebungalsfort- RANoderC++furgroeumfangreicheAnwendungen. 15

16 DasForumsollKonsensherstellenundEmpfehlungenausarbeitenfurWeiterentwicklungenvonJavaselbst,oderfurdieEntwicklungvonStandards DieJavaSprachanderungenundFrameworkssollendiebestejeverfugba- (Frameworks)fur\Grande"BibliothekenoderDienste. UnterdemJavaGrandeForumhabensichzurZeitzweiArbeitsgruppengebildet:einemitSchwerpunktNumerikundeinemitSchwerpunktParallel-undungenwerdenreProgrammierumgebungfurgroeumfangreiche(nummerische)Anwen- SpezikationdurchJava,Arrays,InterfaceszuMPI,PVM,sowiezuLapack Collection,bessereBerucksichtigungderSpeicherhierarchie(Register,Caches, zeitbehandeltwerdensind:volleunterstutzungderieee754floatingpoint undblas,tools,verbesserungdeslaufzeitsystemundderverteiltengarbage Verteiltes-Computing.DiewichtigstenThemen,dieindenArbeitsgruppenderdelleSPMDundMIMD;VerbesserungderVirtuellenJavaMaschine,schnellere Synchronisierung,bessereSkalierbarkeitderThreads. serungvonrmi,supportfurmulticast,unterstutzungderprogrammiermo- Hauptspeicher).DiezweiteArbeitsgruppebefatsichvorrangigmitderVerbes- NahereszuJavaGrandendenSieimInternetunterdemfolgendenURL1 Zusammenfassung NativeInterface(JNI)zugegrienwerdenkann.InderJavaGrandeInitiative konnenprogrammteileinc++implementiertwerden,aufdiedannmittelsjava ProgrammierungJavagutgeeignetist.WohoherePerformancenotwendigist WirhabenindiesemArtikelkurzumrissen,dazumLernenvonparalleler wirdanderverbesserungvonjavafurnumerischeundparalleleanwendungen gearbeitet. Literatur [1]K.ArnoldandJ.Gosling.TheJavaProgrammingLanguage.Addison- [2]A.Geist,A.Beguelin,J.Dongarra,W.Jiang,R.Mancheck,andV.Sunderam.PVM3.3Usersguide.OakRidge,USA,1995. Wesley,1996. [3]W.Gropp,E.Lusk,andA.Skjellum.UsingMPI:PortableparallelprogrammingwiththeMessagePassingInterface.MITPress,Cambridge,Mass., Stand:16.September

17 [5]A.PuderandK.Romer.MICOIsCORBA:ACORBA2.0compliant [4]H.KredelandA.Yoshida.Thread-undNetzwerk-ProgrammierungmitJava. implementation.dpunkt.verlag,1998. EinPraktikumfurdieParalleleProgrammierung.dpunkt.verlag,1998. [6]A.Sayegh.CORBAStandard,Spezikation,Entwicklung.O'Reilly,