Betriebssysteme. Wintersemester Kapitel 2 Prozess und Threads. Patrick Kendzo

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1 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Kapitel 2 Prozess und Threads Patrick Kendzo

2 Programm Inhalt Einleitung Prozesse und Threads Speicherverwaltung Eingabe und Ausgabe Dateisysteme Zusammenfassung + Klausurvorbereitung 2 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

3 Metapher Programm, Prozess und Thread (1) Programm: Rezept in einem Kochbuch Bedeutungslos, solange es nicht ausgeführt wird Statisch Prozess: Küche Küche liefert Lebensraum für Köche / Köchinnen Enthält Kochbuch und Utensilien (Pfannen, Schüsseln, Herd, Waschbecken, Gewürze etc...) Jede Küche besitzt einen eigenen Satz an Material Unterschiedliche Küchen sind durch Mauern abgegrenzt Jeder Küche hat mindesten ein(e) Koch / Köchin 3 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

4 Programm, Prozess und Thread (2) Metapher (continued) Thread = Koch / Köchin (mit evtl. Kollegen / Kolleginnen) Mehrere Köche / Köchinnen können unabhängig von einander nach demselben Rezept kochen Ein Koch / eine Köchin kann nur in einer Küche existieren und kann die Küche nicht wechseln Alle Köche in einer Küche teilen sich die darin vorhandenen Utensilien und müssen deshalb den Zugriff darauf koordinieren Die Köche können aber nur die Materialien in ihrer Küche verwenden, nicht die in anderen Küchen (Die Küchen sind voneinander isoliert) 4 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

5 Programm, Prozess und Thread (3) Aus Sicht eines (einer) Programmierers (Programmiererin ) Programm.Class-Dateien Prozess Abstraktion eines Programms während der Ausführung Starten eines Prozesses durch z. B.: java osinjava oder durch Benutzeranfrage (Doppelklicken eines Programmicons, Tastatureingaben)! Mehrere laufende Prozesse können dieselbe oder unterschiedliche Programme ausführen Thread Nach dem Starten eines Java-Programms existiert u.a. ein Thread, der die main-methode der angegebenen Klasse ausführt 5 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

6 Programm, Prozess und Thread (4) Aus Sicht eines (einer) Programmierers (Programmiererin ) Thread (continued) Java Main-Thread kann weitere Thread erzeugen Thread gleichbedeutend mit Aktivität Mehrere laufende Threads können denselben Code oder unterschiedliche Codes ausführen Prozess- und Threadkonzept früher nicht unterschieden! Prozess besaß nur einen Thread Quelle: Tanenbaum: Moderne Betriebssysteme 6 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

7 Programm, Prozess und Thread (5) Lernziel dieses Kapitels Konzepte hinter dem Begriff Parallelität (u.a. Erzeugung von Threads) erlernen Nebenläufigkeit Synchronisation Erkennen der Probleme beim Zugriff auf dieselben Objekte von mehreren Threads aus Rückblick: Köche / Köchinnen arbeiten in einer einzigen Küche und benutzen dieselbe Utensilien Fähigkeit, diese Probleme zu lösen 7 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

8 Programm, Prozess und Thread (6) Lernziel dieses Kapitels (continued) Die hier (mit Java) erlernten Konzepte haben Beispielcharakter und finden auch in anderen Kontexten statt Threads werden allgemeine in Betriebssystem eingesetzt Unix/Linux) Für das Zusammenspiel von Prozessen gelten dieselben Prinzipien: (Windows, (1) Prozesse sind zwar durch die Speicherverwaltung des Betriebssystems von einander isoliert (Metapher: eigene Küche) (2) Aber Betriebssysteme bieten Möglichkeiten der Kommunikation und Kooperation zwischen Prozessen (Zugriff auf gemeinsame Dateien, gemeinsamen Speicher, Kommunikationskanäle etc...), so dass dieselben Prinzipien auch dort zur Anwendung kommen (Metapher:Flur) 8 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

9 Programm, Prozess und Thread (7) Lernziel dieses Kapitels (continued) Kochplatte (Objekt) Pfanne (Objekt) Topf (Objekt) Schüssel (Objekt) Küche (prozess) Küche (prozess) Koch (thread) Koch (Thread) Koch Koch Flur zum Austausch von Nachrichten oder zum Zugriff auf gemeinsame Objekte (Betriebssystem) 9 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

10 Was ist Parallelität? Parallelität (1) Unterschiedliche, gleichzeitige Abläufe (Vorgänge) in einem Rechner Beispiel: Folgende Events erfolgen gleichzeitig (1) Eine Datei wird gedruckt, (2) eine Web-Seite wird geladen und (3) eine Desktop-Anwendung wird gestartet Arten von Parallelität Echte Parallelität Pseudoparallelität Mischform Quelle: Tanenbaum: Moderne Betriebssysteme 10 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

11 Echte Parallelität in Rechner Mehrere Prozessoren Parallelität (2) Ein- und Ausgabengeräte arbeiten echt parallel Pseudoparallelität Parallelität wird Benutzer vorgegaukelt Virtuelle Prozessoren Prozess- und Threadkonzept Schnelles Wechsel zwischen Prozessen bzw. Threads erzeugt die Illusion, dass Prozesse bzw. Threads parallel laufen Mischform Echte parallele Abläufe in einem 3er Prozessor-System und Eine (Quasi-) Parallelität innerhalb der einzelnen Prozessoren 11 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

12 Warum Parallelität? Case: Webserver in einer verteilten Client-Server Anwendung Anfragen der Clients werden in der Reihenfolge ihres Eintreffens bedient Problematik Lang dauernder Auftrag blockiert spätere eingetroffene Aufträge Lösung: Nebenläufigkeit! 12 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

13 Gebraucht von Threads in Java Erzeugung und Starten von Java Threads Definition des Codes, der von einem Thread ausgeführt werden soll in der Methode run(): public void run() // Code, der innerhalb eines Threads ausgeführt wird Die Klasse Thread besitzt eine leere run()-methode Es existieren zwei Möglichkeiten zur Definition der run()-methode 13 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

14 Gebraucht von Threads in Java (2) Erzeugung und Starten von Java Threads (continued) Möglichkeit 1 Eine neue Klasse von Thread ableiten, die run()-methode überschreiben und Objekt der abgeleiteten Klasse erzeugen public class ThreadCase1 extends Thread public void run() System.out.println("Hello Class"); public static void main(string[] args) ThreadCase1 tc = new ThreadCase1(); tc.start(); 14 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

15 Gebraucht von Threads in Java (3) Erzeugung und Starten von Java Threads (continued) Möglichkeit 2 Ein Thread-Objekt mit einem Objekt als Parameter, der übergebene Parameter soll das Runnable-Interface implementieren. Die Runnable-Schnittstelle besitzt die Methode run() public class ThreadCase2 extends Runnable public void run() System.out.println("Hello Class"); public static void main(string[] args) ThreadCase2 runner = new ThreadCase2(); Thread t = new Thread(runner); t.start(); 15 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

16 Gebraucht von Threads in Java (4) Erzeugung und Starten von Java Threads (continued) Starten von Threads: Aufrufen der start()-methode der Klasse Thread lässt den Thread laufen public void start(); In den oben dargestellten Beispiele laufen die Threads noch nicht! In Java Unterscheidung zwischen Thread-Objekt und Thread: Thread-Objekt Der Körper eines Kochs (Hülle) Thread entspricht Das Leben eines Kochs Wenn Thread endet, ist Thread-Objekt noch vorhanden(analogie zum menschlichen Leben) Solange Thread läuft, existiert auch die zugehörige Hülle 16 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

17 Gebraucht von Threads in Java (5) Starten von Threads (continued): public class MyStartingThreads1 extends Thread private String myname; public MyStartingThreads1 (String name) myname = name; public void run() for(int i = 1; i <= 1000; i++) System.out.println(myName + " (" + i + ")"); public static void main(string[] args) MyStartingThreads1 t1 = new MyStartingThreads1 ("Thread 1"); MyStartingThreads1 t2 = new MyStartingThreads1 ("Thread 2"); MyStartingThreads1 t3 = new MyStartingThreads1 ("Thread 3"); t1.start(); t2.start(); t3.start(); 17 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

18 Gebraucht von Threads in Java (5) Starten von Threads (continued): Eine mehrfache Durchführung des oben dargestellten Java-Programms führt zu unterschiedlichen Ausgaben Ausgabe vom Betriebssystem abhängig (Windows, Unix/Linux) Ausgabe von Entwicklungsumgebungen (IDEs) abhängig ( Eclipse, Netbeans) Veranschaulichung Thread 1 Thread 2 Thread 3 Vgl. Oechsle: Parallele Programmierung mit Java Threads 18 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

19 Interprozesskommunikation (1) Probleme beim Zugriff auf shared (gemeinsame genutzte) Objekte Entsteht immer wenn mindestens ein Thread Schreibzugriffe durchführt Bei nur lesende Zugriffe entstehen keine Probleme Beispielszenario Design 19 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

20 Interprozesskommunikation (2) Beispielszenario (continued) Implementierung class Account private float balance; public void setbalance(float balance) this.balance = balance; public float getbalance() return balance; 20 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

21 Interprozesskommunikation (3) Beispielszenario (continued) Implementierung class Bank private Account[] account; public Bank() account = new Account[100]; for(int i = 0; i < account.length; i++) account[i] = new Account(); public void transfermoney(int accountnumber, float amount) float oldbalance = account[accountnumber].getbalance(); float newbalance = oldbalance + amount; account[accountnumber].setbalance(newbalance); 21 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

22 Interprozesskommunikation (4) Beispielszenario(continued) Implementierung class Clerk extends Thread private Bank bank; public Clerk(String name, Bank bank) super(name); this.bank = bank; start(); public void run() for(int i = 0; i < 10; i++) int accountnumber = (int) (Math.random() * 100); float amount = (int) (Math.random() * 1000) - 499; bank.transfermoney(accountnumber, amount); System.out.println(getName()+" <--> " +accountnumber +" und " +amount); 22 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

23 Interprozesskommunikation (5) Beispielszenario (continued) Implementierung public class Banking public static void main(string[] args) Bank mybank = new Bank(); new Clerk("Andrea Müller", mybank); new Clerk("Petra Schmitt", mybank); 23 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

24 Interprozesskommunikation (6) Beispielszenario (continued) Problemanalyse Was passiert wenn zwei Threads auf demselben Konto arbeiten? Stellen Sie sich vor: In der Methode transfermoney(...) der Klasse Bank wird nach dem Aufruf der Methode getbalance() auf einen anderen Thread umgeschaltet. Gefahr: Dieses eher selten vorkommende fehlerhafte Verhalten kann zum Verlust von Buchungen führen!! 24 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

25 Interprozesskommunikation (6) Beispielszenario (continued) Lösunganalyse Versuch 1: Überweisung in einer einzigen Java-Anweisung durchführen class Account private float balance; public void transfermoney(float amount) balance += amount; class Bank... public void transfermoney(int accountnumber, float amount) account[accountnumber].transfermoney(amount); Nicht Atomarität von Java-Anweisungen führen zur selben Problematik 25 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

26 Interprozesskommunikation (7) Beispielszenario (continued) Lösunganalyse Versuch 2: Nutzung eines Sperrattributs in der Klasse Bank class Bank private Account[] account; private boolean locked; public Bank() account = new Account[100]; for(int i = 0; i < account.length; i++) account[i] = new Account(); locked = false; public void transfermoney(int accountnumber, float amount) while(locked); locked = true; float oldbalance = account[accountnumber].getbalance(); float newbalance = oldbalance + amount; account[accountnumber].setbalance(newbalance); locked = false; 26 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

27 Interprozesskommunikation (8) Beispielszenario (continued) Lösunganalyse Versuch 2: Nutzung eines Sperrattributs in der Klasse Bank (continued) Lösungsvorschlag sieht richtig aus. Aber der Ansatz hat ein paar Probleme: Problem 1: Die Nebenläufigkeit wird hier unnötig eingeschränkt Sperre für die gesamte Bank statt jedes Konto einzeln Problem 2: Lösung nicht effizient Dank Aktives Warten (Busy waiting, polling) Viel Rechenzeit geht verloren wegen Nichstun Problem 3: Buchungen können troztdem immer noch verloren gehen!! 27 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

28 Interprozesskommunikation (9) Beispielszenario (continued) Lösunganalyse Versuch 3: Nutzung des Schlüsselwortes synchronized class Bank private Account[] account; public Bank() account = new Account[100]; for(int i = 0; i < account.length; i++) account[i] = new Account(); public void synchronized transfermoney(int accountnumber, float amount) float oldbalance = account[accountnumber].getbalance(); float newbalance = oldbalance + amount; account[accountnumber].setbalance(newbalance); 28 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

29 Interprozesskommunikation (10) Beispielszenario (continued) Lösunganalyse Versuch 3: Nutzung des Schlüsselwortes synchronized Bedeutung Sperre für jedes Objekt Vor der Ausführung einer synchronized-methode wird gewartet bis die Sperre frei ist, dann wird sie gesetzt und am Schluss wieder freigegeben Dies geschieht ohne aktives Warten (Ineffizienzproblematik) Gegenseitiger Ausschluss erfolgt ohne Problem (Inkorrektheitsproblematik) 29 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

30 Interprozesskommunikation (11) Beispielszenario (continued) Lösunganalyse Versuch 3: Nutzung des Schlüsselwortes synchronized Schlussfolgerung Eine synchronized-methode kann zu einem Zeitpunkt nur von einem Thread auf das selbe Objekt angewendet werden. Parallelität beim Aufruf unterschiedlicher synchronized-methoden der selben Klasse, die auf das selbe Objekt angewendet werden. Parallelität beim Aufruf von synchronized- und nicht synchronized-methoden der selben Klasse, die auf das selbe Objekt angewendet werden. Parallelität beim Aufruf von synchronized-methoden der selben Klasse, die auf unterschiedliche Objekte angewendet werden. 30 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

31 Regel: Notwendigkeit von Synchronisation Wenn von mehreren Threads auf ein Objekt zugegriffen wird, wobei mindestens ein Thread den Zustand des Objekts ändert, dann müssen alle lesenden und schreibenden Zugriffe mit synchronized erfolgen. Auf welche primitiven Daten kann in Java von mehreren Threads aus zugegriffen werden? Antwort: Nur auf Attribute von Klassen (für nicht-static-attribute: nur relevant, falls mehrere Threads auf das selbe Objekt zugreifen) Nicht auf lokale Variablen einer Methode Begründung: Jeder Thread besitzt seinen eigenen Keller (Stack) Darauf werden abgelegt (u.a.): lokale Variablen, Rücksprungadressen für Methodenaufrufe 31 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

32 Literatur [1] Java JDK 8 API Specification, [2] Java Tutorial, 32 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

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