12. Threads in Java. Sequentielle Abarbeitung (2) Beispiel: Thread (1) Sequentielle Abarbeitung (1)

Transkript

1 12. Threads in Java Einführendes Beispiel 12. Threads in Java 12. Threads in Java Einführendes Beispiel Sequentielle Abarbeitung (2) Ein Thread ist eine Folge von Anweisungen, die unabhängig von anderen Threads parallel zu diesen ausgeführt wird. Jeder Thread hat seinen eigenen Stack um lokale Variablen anzulegen und Methoden aufzurufen. Alle Threads eines Prozesses teilen sich den Adressbereich des Prozesses (keine Interprozesskommunikation notwendig). Man nennt Threads auch leichtgewichtige Prozesse. public class ABCPrinter { for (char c= A ; c<= Z ; c++) { System.out.print(c); Machmal.eineSekundeNix(); public void start() { run(); Liefert die Ausgabe: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ Sequentielle Abarbeitung Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Threads in Java Einführendes Beispiel Sequentielle Abarbeitung (1) 12. Threads in Java Einführendes Beispiel Beispiel: Thread (1) Wir erzeugen zwei gleichartige Objekte der Klasse ABCPrinter, deren Methode start() die Großbuchstaben auf der Konsole ausgibt: public class MehrmalsP { public static void main(string[] args) { ABCPrinter p1 = new ABCPrinter(); ABCPrinter p2 = new ABCPrinter(); p1.start(); p2.start(); Aus ABCPrinter machen wir ABCThread, indem wir von der Klasse java.lang.thread ableiten. Die Klasse Thread hat auch schon eine Methode start(), die genau das macht, was wir benötigen, nämlich die Methode run() aufrufen. public class ABCThread extends Thread { for (char c= A ; c<= Z ; c++) { System.out.print(c); Machmal.eineSekundeNix(); Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS

2 12. Threads in Java Einführendes Beispiel Beispiel: Thread (2) Threads in Java (2) In unserem main-methode benutzen wir nun ABCThread statt ABCPrinter. public class MehrmalsT { public static void main(string[] args) { ABCThread p1 = new ABCThread(); ABCThread p2 = new ABCThread(); p1.start(); p2.start(); Dies liefert die Ausgabe: AABBCCDDEEFFGGHHIIJJKKLLMMNNOOPPQQRRSSTTUUVVWWXXYYZZ Entscheidend für die Implementierung eines Threads ist nicht die Klasse Thread sondern die Schnittstelle java.lang.runnable. Runnable definiert eine (abstrakte) Methode run(). Nur Klassen, die Runnable implementieren, können einen Thread realisieren. Konsequenz: Zwei Möglichkeiten zur Implementierung von Threads: Thread implementiert Runnable, also leiten wir von Thread ab und überschreiben die Methode run(). Wir implementieren Runnable in einer eigenen Klasse und lassen Objekte dieser Klasse von Objekten der Klasse Thread kontrollieren. parallele Abarbeitung Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Threads in Java (1) Beispiel: Runnable (1) Die parallel auszuführenden Anweisungen müssen in einer Methode run() enthalten sein oder von run() aus aufgerufen werden. Die Methode start() sorgt dafür, dass run() nebenläufig ausgeführt wird. Ruft man run() dagegen direkt auf, entsteht keine Nebenläufigkeit. Die Klasse Thread verfügt bereits über eine Methode start(). und eine Methode run() (die allerdings nichts tut). Hier die zweite Möglichkeit: Wir nutzen implements statt extends. public class ABCRunnable implements Runnable { for (char c= A ; c<= Z ; c++) { System.out.print(c); Machmal.eineSekundeNix(); Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS

3 Beispiel: Runnable (2) public boolean isinterrupted() liefert true, wenn das Abbruch-Flag gesetzt ist. In unserem main-methode erzeugen wir nun ABCRunnable und steuern diese Objekte mit Hilfe von Objekten der Klasse Thread. public class MehrmalsR { public static void main(string[] args) { Thread t1 = new Thread(new ABCRunnable()); Thread t2 = new Thread(new ABCRunnable()); t1.start(); t2.start(); Klassenmethoden(u.a.): public static Thread currentthread() liefert eine Referenz auf den Thread, der gerade ausgeführt wird. public static void yield() lässt den Thread, der gerade ausgeführt wird, kurz pausieren, um andere Threads zum Zuge kommen zu lassen. public static void sleep(long millis) der Thread, der gerade ausgeführt wird, pausiert für millis Millisekunden. InterruptedException möglich, dabei wird das Abbruch-Flag zurückgesetzt. public static boolean interrupted() liefert true, wenn beim Thread, der gerade ausgeführt wird, das Abbruch-Flag gesetzt ist. Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Die Klasse Thread Beispiel: sleep Konstruktor (u.a.): public Thread(Runnable target) Bei Aufruf von start() wird die run-methode von target nebenläufig ausgeführt. Instanzmethoden (u.a.): public void start() public void run() public final boolean isalive() liefert true, wenn der Thread gestartet aber noch nicht beendet ist. public void interrupt() setzt das Abbruch-Flag des Threads. public class Machmal { public static void einesekundenix() { Thread.sleep(1000); catch(interruptedexception e) { Die Methode sleep() kann eine InterruptedException auslösen. Das Abbruch-Flag des Threads wird dabei zurückgesetzt. Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS

4 Threads vorzeitig beenden Scheduling Threads müssen nicht ihre run-methode komplett abarbeiten. Vielleicht ist in der run-methode auch mit Absicht eine Endlosschleife programmiert. Idealerweise nutzen wir die Instanzmethoden interrupt() und isinterrupted(). Man beachte: Wenn sleep unterbrochen wird, wird eine Exception ausgelöst und das Abbruch-Flag zurückgesetzt. Wenn das Abbruch-Flag gesetzt sein soll, muss deshalb im Exception-Handler interrupt() aufgerufen werden. Ein Scheduler verteilt die zur Verfügung stehende Prozessorzeit auf die einzelnen Threads. Das Scheduling ist nicht spezifiziert, sondern hängt von der virtuellen Maschine ab. Es ist aber sichergestellt, dass ein Thread von höherer Priorität durchschnittlich mehr Prozessorzeit erhält. präemptives Scheduling: Die Threads werden unterbrochen. Ein Thread erhält zunächst die Priorität des Threads, der ihn erzeugt. Der main- Thread hat die Priorität 5 (NORM PRIORITY). Methoden zur Steuerung der Priorität: getpriority und setpriority. Höchste Priorität gleich 10 (MAX PRIORITY), niedrigste gleich 1 (MIN PRIORITY). Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Lebenszyklus eines Threads Synchronisation Nach new ist der Thread erzeugt. Mit start() wird der Thread ausführbar. Mit run() kann der Thread laufend werden. Dieser Zustand ist ein Spezialfall von ausführbar. Der Thread läuft i.d.r. nicht permanent, sondern wird zwischendurch suspendiert, z.b. durch yield(). Dann ist er nur noch ausführbar, aber nicht laufend. Mit der Terminierung von run() ist der Thread beendet. Im Zustand ausführbar kann durch sleep() oder wait() der Thread in den Zustand nicht ausführbar überführt werden. Mit Hilfe von notify() wird ein nicht ausführbarer Thread wieder ausführbar. Ein Thread schreibt Werte in ein Objekt, ein anderes liest Werte aus dem selben Objekt. Wird der schreibende Thread unterbrochen, bevor er den Schreibvorgang komplett abgeschlossen hat, liest der andere Thread inkonsistente Werte. Leser/Schreiber-Problem Mit Hilfe von isalive kann ermittelt werden, ob ein Thread in den Zuständen ausführbar oder nicht ausführbar ist. Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS

5 Beispiel: Leser/Schreiber (1) Sperren, Monitor public class Sequenz { private static int zaehler = 0; public static void nachster() { int zahl = zaehler; eine Anweisung die lange dauert... System.out.print(" " + zahl); zaehler++; Das Problem des letzten Beispiels können wir prinzipiell durch Sperren (Locks) lösen. Immer wenn ein Thread die Methode naechster() betritt, wird diese Methode für alle anderen Threads gesperrt. Threads, die eine gesperrte Methode betreten wollen, werden solange supendiert, bis die Sperre freigegeben wird. Die Sperre wird freigegeben, sobald der ausführende Thread die Methode naechster() verlassen hat. Nun kann ein anderer Thread in die Methode naechster() eintreten. Damit sperrt er diese Methode wiederum für alle anderen Threads. Fazit: maximal ein Thread soll sich in der Methode naechster() befinden (kritischer Abschnitt). In der Programmierung bezeichnet man dies als Monitor. Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Beispiel: Leser/Schreiber (2) Monitor mit synchronized public class ZaehlThread extends Thread { for (;;) Sequenz.naechster(); Wie sieht die Ausgabe u.u. aus, wenn zwei ZaehlThreads parallel laufen? In Java ist es leicht, einen Monitor zu implementieren. Mit dem Schlüsselwort synchronized erreichen wir, dass sich maximal ein Thread in der durch synchronized gekennzeichneten Methode befinden darf. synchronized public static void naechster() {... Damit wäre gewährleistet, dass unsere ZaehlThreads eine korrekte Sequenz ausgeben: Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS

6 Klassen- und Instanzmethoden mit synchronized Solch ein Puffer wird von einem Erzeuger-Thread mit den Werten von 0 bis 4 gefüllt. class Erzeuger extends Thread { Wert w; Eine mit synchronized gekennzeichnete Klassenmethode kann höchstens von einem Thread gleichzeitig ausgeführt werden. Eine mit synchronized gekennzeichnete Instanzmethode kann prinzipiell von mehreren Threads gleichzeitig ausgeführt werden. Aber für jedes Objekt kann es maximal einen Thread geben, der sich in einer mit synchronized gekennzeichneten Instanzmethode befindet. Bei Instanzmethoden ist die Synchronisation also objektbezogen. public Erzeuger(Wert w) { this.w = w; for (int i=0 ; i<5 ; i++) { w.put(i); System.out.println("Erzeuger put: " + i); sleep((int) (Math.random() * 100)); catch(interruptedexception e) { Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Das Erzeuger/Verbraucher-Problem Ein Verbraucher-Thread holt die Werte aus dem Puffer. class Verbraucher extends Thread { Wert w; Wir betrachten einen (zunächst abstrakten) einfachen Puffer, der maximal einen Integer-Wert aufnehmen kann. abstract class Wert { protected int wert; abstract public int get(); abstract public void put(int w); public Verbraucher(Wert w) { this.w = w; int v; for (int i=0 ; i<5 ; i++) { v = w.get(); System.out.println("Verbraucher get: " + v); sleep((int) (Math.random() * 100)); catch(interruptedexception e) { Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS

7 Wir spezialisieren die Pufferklasse Wert zunächst auf einfache Weise: class SchlechterWert extends Wert { public synchronized int get() { return wert; public synchronized void put(int w) { wert = w; Unser Testprogramm public class EVTest1 { public static void main(string[] args) { Wert w = new SchlechterWert(); Erzeuger e = new Erzeuger(w); Verbraucher w = new Verbraucher(w); e.start(); v.start(); Object-Methoden zur Steuerung von Threads Die Klasse Object stellt zur Verfügung: public final void wait() der Thread, der gerade ausgeführt wird, wird suspendiert, bis ein anderer Thread notify oder notifyall für das aktuelle Objekt ausführt. public final void notify() reaktiviert einen einzelnen Thread, der sich im Wartezustand bezüglich des aktuellen Objekts befindet. public final void notifyall() reaktiviert alle Thread, die sich im Wartezustand bezüglich des aktuellen Objekts befinden. Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Möglicher Ablauf: Erzeuger put: 0 Verbraucher get: 0 Erzeuger put: 1 Verbraucher get: 1 Verbraucher get: 1 Verbraucher get: 1 Erzeuger put: 2 Erzeuger put: 3 Erzeuger put: 4 Verbraucher get: 4 Der Erzeuger produziert zwar die Werte 0 bis 4, der Verbraucher entnimmt dem Puffer aber einige Werte mehrfach bzw. einige überhaupt nicht. Wir müssen dafür sorgen, dass der Verbraucher immer nur dann aktiv wird, wenn der Erzeuger wieder einen neuen Wert bereitgestellt hat. Eine bessere Spezialisierung des abstrakten Puffers: class GuterWert extends Wert { private boolean verfuegbar = false; public synchronized int get() { if (!verfuegbar) wait(); catch (InterruptedException ie) { verfuegbar = false; notify(); return wert; Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS

8 public synchronized int put(int w) { if (verfuegbar) wait(); catch (InterruptedException ie) { wert = w; verfuegbar = true; notify(); Zusammenfassung Threads: parallele Kontrollflüsse in einem Programm Implementierung: implements Runnable oder extends Thread kritische Bereiche, Monitor: synchronized Gegenseitiges Warten: wait(), notify() Das Flag verfuegbar zeigt an, ob ein Wert bereitsteht. Kein Wert verfügbar, dann wait() in get(). put() weckt mit notify() den Verbraucher-Thread, wenn Wert zur Verfügung steht. put()/get() analog Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS Im Testprogramm ändern wir die Zeile zur Erzeugung des Puffers: Wert w = new GuterWert(); Damit erhalten wir dann eine saubere Verarbeitung: Erzeuger put: 0 Verbraucher get: 0 Erzeuger put: 1 Verbraucher get: 1 Erzeuger put: 2 Verbraucher get: 2 Erzeuger put: 3 Verbraucher get: 3 Erzeuger put: 4 Verbraucher get: 4 Peter Becker, Programiersprache Java FH Bonn-Rhein-Sieg, SS