verteilter Systeme interessieren."

Transkript

1 ,, eine sehr gute Einfuhrung in relevante Techniken zur Entwicklung verteilter Anwendungen unter Nutzung verfugbarer Middleware-Technologien Durch die Fragenkataloge, Beispiel programme und die detaillierte Diskussion der relevanten Konzepte vermittelt das Buch ein tiefes Verstandnis der Materie. Verschiedene Leserkreise werden von dem Buch profitieren: Lehrende und Studierende mit Vorkenntnissen in java sowie industrielle Softwareentwickler und Enscheider mit programmiertechnischem Hintergrund, die sich fur die Programmierung verteilter Systeme interessieren." Prof. Dr. Bernd Freisleben, Philipps-Universitiit Marburg "Middleware in java ist ein Muss fur jeden Informatiker. Das Lehrbuch ist eine sehr gelungene Mischung aus Theorie und praktischen Anwendungen. Mit Hilfe der Vielzahl von typischen Beispielen, die vollstandig dargestellt sind, findet man den Einstieg in das komplexe Thema uberraschend schnell. Fur die Programmiersprache java gibt es bisher nichts Vergleichbares." Prof. Dr. Helmut Dohmann, FH Fulda

2 hrsg. von Helmut Dohmann, Gerhard Fuchs und Karim Khakzar Die Reihe bietet aktuelle IT-Themen in TuchfOhlung mit den Erfordernissen der Praxis. Kompetent und losungsorientiert richtet sie sich an IT-Spezialisten und Entscheider, die Ihr Unternehmen durch effizienten IT-Einsatz strategisch voranbringen wollen. Die Herausgeber sind selbst als engagierte FH-Professoren an der Schnittstelle von IT-Wissen und IT-Praxis tatig. Die Autoren stellen durchweg konkrete Projekterfahrung unter Beweis. In der Reihe sind bereits erschienen: ~------~ Nachhaltig erfolgreiches E-Marketing von Volker Warschburger und Christian Jost Die Praxis des Knowledge Managements von Andreas Heck Die Praxis des E-Business l von Helmut Dohmann, Gerhard Fuchs und Karim Khakzar Produktionscontrolling mit SAp -Systemen von JOrgen Bauer Controlling von Softwareprojekten l von Katrin Gruner, Christian Jost und Frank Spiegel Middleware in Java von Steffen Heinzl und Markus Mathes

3 Steffen Heinzl Markus Mathes Middleware in Java Leitfaden zum Entwurf verteilter Anwendungen - Implementierung von verteilten Systemen uber JMS - Verteilte Objekte uber RMI und CORBA Mit 50 Abbildungen II vleweg

4 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uber < abrufbar. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solchen Namen im Sinne von Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden durfen. H6chste inhaltliche und technische Qualitat unserer Produkte ist unser liel. Bei der Produktion und Auslieferung unserer Bucher wollen wir die Umwelt schonen: Dieses Buch ist auf saurefreiem und chlorfrei gebleichten Papier gedruckt. Die EinschweiBfolie besteht aus Polyathylen und damit aus organischen Grundstoffen, die weder bei der Herstellung noch bei der Verbrennung Schadstoffe freisetzen. 1. Auflage Juli 2005 Aile Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2005 Lektorat: Dr. Reinald Klockenbusch / Andrea BroBler Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschutzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne lustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere fur Vervielfaltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. ISBN-13: e-isbn-13: : /

5 Ich widme dieses Buch meinen Eltem Hubert und Ingrid Mathes. Markus Mathes FUr meine Eltem Doris und Georg Heinzl Steffen Heinzl

6 Ober die Autoren Steffen Heinzl Steffen Heinzl studierte an der Fachhochschule Fulda Infonnatik mit dem Schwerpunkt Telekommunikation. Seine Diplomarbeit "Entwicklung einer Administrationsbibliothek fur Java Threads" verfasste er bei der Engineering + Design AG (EDAG). Derzeit promoviert er im Fachbereich Mathematik und Infonnatik an der Philipps-Universitat Marburg in der Arbeitsgruppe von Herm Prof. Dr. Freisleben. Themenschwerpunkt in der Forschung sind innovative Konzepte verteilter Systeme. Markus Mathes Markus Mathes studierte ebenfalls an der Fachhochschule Fulda im Fachbereich Angewandte Infonnatik mit der Spezialisierung auf Telekommunikation. In seiner Diplomarbeit beschaftigte er sich mit dem Einsatz von nachrichtenorientierter Middleware in der Industrieautmation. Derzeit promoviert er im Fachbereich Mathematik und Informatik an der Philipps-Universitat Marburg in der Arbeitsgruppe von Herm Prof. Dr. Freisleben. Seine Forschungsinteressen sind innovative Konzepte verteilter Systeme.

7 Geleitwort Herr Prof. Dr. Freisleben Die Entwicklung verteilter Softwareanwendungen, die auf vernetzten Rechnem innerhalb des Intemets ablaufen, zahlt heutzutage zu den Kernkompetenzen von Informatikem in Forschung, Lehre und Industrie. Der Programmiersprache Java kommt in diesem Zusammenhang wegen ihrer Portabilitat und darnit wegen der M6glichkeit ihres Einsatzes in heterogenen Umgebungen eine hohe Bedeutung zu. Das Buch von Markus Mathes und Steffen Heinzl gibt eine sehr gute Einfuhrung in relevante Techniken zur Entwicklung verteilter Anwendungen unter Nutzung verfugbarer Middleware Technologien. Inhaltlich geht es in dem Buch zu einem groben Tell urn fortgeschrittene Konzepte der Java-Programmierung. Ausfliige in die aktuelle Version von Java sind enthalten, und wesentliche Themen verteilter Java-Programmierung wie etwa Sychronisation, Serialisierung, Java Stream Handling oder JMS werden behandelt. Durch die Fragenkataloge, Beispielprogramme und die detaillierte Diskussion der relevanten Konzepte vermittelt das Buch ein tiefes Verstandnis der Materie. Verschiedene Leserkreise werden von dem Buch profitieren: Lehrende und Studierende mit Vorkenntnissen in Java sowie industrielle Softwareentwickler und Enscheider mit programmiertechnischem Hintergrund, die sich fur die Programmierung verteilter Systeme interessieren. Marburg, im Mai 2005 Prof Dr. Bernd Freis/eben, Philipps-Universitat Marburg

8 Vorwort Die Entwicklung verteilter Anwendungen auf Basis der Programrniersprache Java ist eine der wichtigsten Schlusselqualifikationen heutiger Infonnatiker. Zunehmend dringen Verteilungstechnologien auch in diejenigen industriellen Bereiche vor, die bisher anderen Verfahren vorbehalten waren. Beispielsweise werden im Bereich der Automatisierungstechnik zunehmend Technologien eingesetzt, die auch bei der Entwicklung "klassischer" verteilter Systeme zum Einsatz kommen. Von besonderer Bedeutung fur die Praxis ist in diesem Zusammenhang die Entwicklung verteilter Anwendungen auf Basis von Sockets, RMI, CORBA und JMS. Sockets, die in den letzten Jahren nie wirklich an Aktualitat verloren haben, bieten eine Schnittstelle zum Protokoll-Stack und erlauben dadurch die Entwicklung beliebiger verteilter Anwendungen. RMI ist das objektorientierte Pendant zum RPC und verbirgt die Details der Socket Kommunikation. CORBA ist eine Middleware-Spezifikation, die von vielen Untemehmen eingesetzt wird, auch aufgrund der Moglichkeit bestehende Altsysteme (legacy systems) einzubinden. Zu guter letzt bietet JMS die Moglichkeit eine nachrichtenbasierte Middleware anzusprechen und asynchrone Kommunikation zu realisieren. Obige Technologien sind zur Entwicklung verteilter Anwendungen zwar notwendig aber nicht hinreichend. Zusatzlich benotigt man Wissen tiber die Parallelisierung und Synchronisation von Ablaufen. Deshalb finden Sie in diesem Buch das notwendige Know-how zur Entwicklung paralleler Programme und zu deren Synchronisation. Die Programmiersprache Java bietet fur die Entwicklung verteilter Anwendungen einen zusatzlichen Vorteil: Plattformunabhiingigkeit. Da verteilte Systeme oftmals heterogen sind, ergibt sich hieraus ein echter Vorteil. Anders als beispielsweise in der Programrniersprache C muss (so gut wie gar) nicht auf die Plattfonn geachtet werden, auf der entwickelt wird. In anderen Programmiersprachen muss jedes Programm fur jede Plattfonn einzeln durch plattfonnspezifischen Code angepasst werden. Daher ist Java die Sprache der Wahl fur die Entwicklung verteilter Anwendungen. Dieses Buch bietet Ihnen also einen urnfassenden, detaillierten und praxisorientierten Einblick in die Entwicklung verteilter Systeme mit obigen Technologien. Dabei wurde darauf geachtet, dass die vorgestellten Verfahren fur ein Selbststudium sowohl fur IT-Professionals im Berufsleben als auch fur Studenten geeignet sind. Wichtig war fur uns, ein Buch zu schaffen, welches nicht nur Konzepte vorstellt, sondem auch die praktische Umsetzung der dargestellten theoretischen Zusammenhange erklart und Verteilte Systeme sind uberall Java ist die Programmiersprache fur verteilte Anwendungen Fur Studenten und Praktiker

9 XII Vorwort somit einen echten Know-how Vorsprung schafft. Deshalb werden nach der Eriauterung der theoretischen Zusammenhange immer vollstiindige, Iauffiihige Beispielprogramme vorgestellt und diskutiert. Kapitell Kapitel2 KapitelJ Kapitel4 Kapitel5 Kapitel6 Struktur dieses Buches Das vor Ihnen liegende Buch gliedert sich in acht Kapitel. Jedes dieser Kapitei behandeit einen anderen Schwerpunkt aus dem Bereich der verteilten Systeme. Die Kapitel bauen nicht zwingend aufeinander auf. Aus didaktischen Grunden ist jedoch ein "sequentielles" Durcharbeiten empfehlenswert. So erschlieben sich das Gesamtbild und die Zusammenhange leichter. Innerhalb der Kapitel werden die vorgestellten Themen anhand konkreter Beispielsprogramme verdeutlicht. Es handelt sich urn vollstandige, lauffahige Programme, die sie testen, modifizieren und naturlich auch optimieren konnen. Am Ende jedes Kapitels finden Sie eine Aufgabensammlung, die aus Wiederholungs-, Vertiefungsund Implementierungsaufgaben besteht. Es wird empfohlen, diese Aufgabensammlung zur Festigung des vermittelten Stoffs durchzuarbeiten. In diesem Kapitel erhalten Sie einen ersten Dberblick uber den Aufbau und die Arbeitsweise eines verteilten Systems. Insbesondere werden verschiedene Programmier- und Verteilungsparadigmen vorgestellt und Transparenzarten eriautert. Die Programmiersprache Java bietet durch die Integration von Threads die Moglichkeit zur (quasi-)paralleien Verarbeitung. In diesem Kapitei erfahren Sie, wie man mit Java parallel programmieren kann. Arbeiten mehrere Threads Cquasi-)parallel auf gemeinsamen Daten, konnen Anderungen der Daten veri oren gehen und somit Inkonsistenzen entstehen. Diese Probleme lost man durch Synchronisation. Die dazu notwendigen Sprachmittel werden in diesem Kapitei vorgestellt. Das Client/Server-Modell spielt eine wichtige Rolle beim Entwurf verteilter Systeme. Zum Entwurf effektiver Clients und Server diskutiert dieses Kapitel verschiedene Entwurfsaspekte und verdeutlicht sie an Beispieien. Zur Dbertragung von Objekten in einem verteilten System mussen Mechanismen zur Umwandlung der Objekte in ubertragbare Daten existieren. Dieser Mechanismus wird in Java als Serialisierung bezeichnet und in diesem Kapitel detailliert vorgestellt. Ein weiterer Ansatz zur Entwicklung verteilter Anwendungen ist der Aufruf entfernter Methoden. Dieses Verfahren wir in Java als RMI bezeichnet und im Kapitei 6 vorgestellt.

10 Vorwort XIII CORBA ermoglicht - ahnlich wie RMI - eine Verteilung von Kapitel7 Objekten, ist jedoch wesentlich allgemeiner und nicht zwingend an die Programmiersprache Java gebunden. In diesem Kapitel erhalten Sie eine Einfuhrung in die Verwendung von CORBA. 1m letzten Kapitel stellen wir einen alternativen Ansatz zur Entwicklung verteilter Anwendungen, der auf dem Austausch von Nachrichten basiert, vor. Es handelt sich urn den Java Message Service (JMS), mit dessen Hilfe eine nachrichtenbasierten Middleware realisiert werden kann. Ferner ermoglicht JMS eine asynchrone Kommunikation. Hinweis fur Dozenten Das Buch ist als Begleitmaterial zu Vorlesungen aus dem Bereich der verteilten Systeme, Rechnernetze und Programmierung in Java geeignet. Zur Gestaltung von Vorlesungen finden Sie unter die vorgestellten Programme, Prasentationsfolien und Dbungsaufgaben. Mit Hilfe der Prasentationsfolien kann die Vorlesung gestaltet werden. Die Aufgaben konnen in einem Praktikum bzw. einer Obung gelost werden. Dafur sind insbesondere die Implementierungsaufgaben interessant, da sie den Studierenden einen praktischen Einstieg in die Entwicklung verteilter Anwendungen ermoglichen. Die Wiederholungsaufgaben fragen die wichtigsten Aussagen der einzelnen Kapitel nochmals ab und prilfen damit Wissen. Die Vertiefungsfragen sollen unter Verwendung zusatzlicher Quellen gelost bzw. in der Gruppe diskutiert werden. Sie dienen dem Transfer der erlernten Techniken auf neue Problemstellungen. Vielen Dank! Wir mochten uns bei allen Personen, die in fachlicher und personlicher Hinsicht, bei der Entstehung dieses Buches mitgewirkt und mitgeholfen haben, bedanken. Unser Dank gilt dem Vieweg-Verlag insbesondere Herm Dr. Reinald Klockenbusch fur die hervorragende Zusammenarbeit, Herrn prof. Dr. Helmut Dohmann CFachhochschule Fulda) fur jedwede Unterstutzung wahrend unseres gesamten Studiums und danach und Herrn Prof. Dr. Bernd Freisleben CPhilipps-Universitat Marburg) fur wertvolle Anregungen und konstruktive Hinweise. Ferner mochten wir uns bei folgenden Personen fur das Korrektur lesen des Manuskripts bedanken: Jan Egger, Sonja Effenberger, Robert Zoller, Matthias Schwinn, Christian Heil. Zum Schluss noch danke an aile Teilnehmer des Seminars "Middleware und verteilte Systeme in Java" an der FH Fulda: Nadine Hartmann, Winfried Rhiel, Christopher Seitz, Christian Henkel, Nico Gerbig, Thorsten Winter, Markus Corell, Bjorn Kapitel8

11 XIV Vorwort Karpenstein, Irina Bering, Jilrgen Scholz, Michael Rudolf, Dennis Gores, Andreas Lennartz. Kritik Wir sind fur konstruktive Kritik, Hinweise und Anregungen dankbar! Auch fur Fragen haben wir irnmer ein "offenes Ohr". Mochten Sie mit uns in Kontakt treten, senden Sie eine an Wir versuchen umgehend zu antworten. Fulda und Zilntersbach, Marz 2005 Steffen Heinzl, Markus Mathes

12 Inhaltsverzeichnis Kapite11: Architektur verteilter Systeme Einfuhrung und Begriffsbildung Entstehung verteilter Systeme Struktur verteilter Systeme Zerlegung verteilter Anwendungen Transparenz in verteilten Systemen Aufgaben zur Theorie verteilter Systeme Kapite12: Nebenlaufigkeit in Java Definition User-level Threads und kernel-level Threads Threads auf Hardwareebene Prozess- und Thread-Zustande Prozesszustande Thread-Zustande allgemein Java Threads Abbildung von Java Threads auf POSIX Threads Scheduling von Threads unter Solaris Thread-Bibliotheken Erzeugung von Lightweight Processes Verwendung von Java Threads Threads starten Threads beenden Auf Threads warten Abfrage von Thread-Informationen Eigenschaften laufender Threads abfragen Speicherbelegung Systemarchitektur und Betriebssystem Aufgaben zur Nebenlaufigkeit in Java Kapitel 3: Synchronisationsmechanismen Korrektheit eines parallelen Programms Sicherheit Lebendigkeit (Liveness)... 43

13 XVI Inhaltsverzeichnis 3.2 Mutual exclusion Deaktivierung von Interrupts tescand_set und tescand_clear Semaphore Operationen PO und VO Fairness Semaphore und Fairness in Java Wechselseitiger Ausschluss durch Semaphoren Monitore Signalisierungsmechanismen Nested Monitor Calls Monitore in Java Geschachtelte Monitoraufrufe in Java Machtigkeit von Synchronisationsrnittein Semaphoreimplementierung durch Monitore Monitorimplementierung durch Semaphore Machtigkeitstibersicht Locks in Java Das Interface Lock Bedingungsvariablen Beispiel: Die Klasse ReentrantLock Aufgaben zur Synchronisation Kapitel 4: Design von Client/Server-Software Das Client/Server-Modell Entwurf von Clients Entwurf von Servern Implementierung des Client/Server-Modells tiber Sockets Dbersicht der Socket-Primitive Die Socket-API unter Java Fallbeispieie DAYTIME ECHO FILE Aufgaben zu Client/Server-Software Kapitel 5: Serlalisierung Serialisierungsprozess Serialisierbarkeitsbedingungen Reprasentation der Elemente

14 Inhaltsverzeichnis XVII Aufbau des Streams Beispiel-Stream Deserialisierungsprozess Fallbeispiel: DAYTIME-Server Nachrichtenkonzept Message-ID Reflection-API Erweiterung der Standardserialisierung Substitution von Objekten Beschleunigung der Serialisierung Versionsverwaltung Aufgaben zu Serialisierung Kapitel6: Verteilte Objekte durch RMI Struktur einer RMI-Anwendung Ablauf eines entfemten Methodenaufrufs Parameterilbergabe und das RMI Wire-Protocol Werkzeuge Fallbeispiel: Entwicklung eines Multiservice-Servers Implementierung einer Dienstauskunft Definition der Schnittstellen entfemter Objekte Implementierung der Remote-Interfaces Implementierung des Multiservice-Servers Entwicklung der RMI-Clients Aufgaben zum entfemten Methodenaufruf Kapitel 7: Einfiihrung in CORBA Kommunikation in CORBA Interface Definition Language (IDL) ORB Services Namensdienst Vor- und Nachteile von CORBA Aufgaben zu CORBA

15 XVIII Inhaltsverzeichnis Kapite18: Nachrichtenbasierte Kommunikation mit)ms Aufbau und Struktur einer JMS-Anwendung P2P- und Pub/Sub-Kornmunikation Das Paket javax.jms Verbindungsfabriken Verbindungen Sitzungen Produzenten und Konsumenten Nachrichten Nachrichtenziele Ausnahmen Fallbeispiele Metadaten des JMS-Providers erfragen Nachrichten in einer Warteschlange ziihlen ECHO-Dienst mit P2P DAYTIME-Dienst mit Pub/Sub Aufgaben zu JMS Anhang Anhang A: Die Methode printstreamo Anhang B: Das Reflection-Konzept von Java Anhang C: Entwicklung von Java bis zur Version Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis