Programmierung mit Threads in Java

Transkript

1 Programmierung mit Threads in Java Harald Kosch and Matthias Ohlenroth Institut für Informationstechnologie Universität Klagenfurt H. Kosch Threads in Java 1

2 Inhalt Grundlagen: Threads und Datenlokalität Fork/Join Synchronisation Wait/Notify Literatur Scott Oaks & Henry Wong, JAVA Threads Doug Lee, Concurrent Programming in Java Christian Wolff, Einführung in Java H. Kosch Threads in Java 2

3 Grundlagen: Threads und Datenlokalität Starten von Threads - Fork Starten von Threads - Runnable Threads, Objekte und Shared Data Synchronisation H. Kosch Threads in Java 3

4 Fork: Starten von Threads Klasse Thread stellt Methode run() bereit: public void run() {... run() überschreiben und Funktionalität implementieren Ableitung von der Klasse Thread Instanzen der Thread-Subklasse anlegen: SimpleThread t = new SimpleThread(); Thread starten: t.start(); es entsteht ein neuer, paralleler Kontrollfaden H. Kosch Threads in Java 4

5 class SimpleThread extends Thread { int sleeptime; SimpleThread(int sleep) { sleeptime = sleep; public void run() { System.out.println(getName() + " started\n"); for (int i=0; i<5; i++) { try { sleep(sleeptime); catch(interruptedexception e) {; System.out.println(getName() + " running\n"); System.out.println(getName() + " finished"); H. Kosch Threads in Java 5

6 public class main { public static void main (String args[]) { SimpleThread a,b; a = new SimpleThread(250); b = new SimpleThread(500); System.out.println("Starting Threads...\n"); a.start(); b.start(); System.out.println("Leaving Main\n"); H. Kosch Threads in Java 6

7 Fork: Starten von Threads Main-Thread startet zwei Threads und arbeitet unabhängig weiter drei unabhängige Kontrollfäden Main-Thread wird vor den anderen Threads beendet H. Kosch Threads in Java 7

8 Join: Warten auf Beendigung eines Threads Thread main create Thread a create Thread b Thread a new Thread b start Thread a start Thread b enter run() enter run() local work do work join Thread a a.join() return do work join Thread b b.join() return return programm ends H. Kosch Threads in Java 8

9 class SimpleThread extends Thread { int sleeptime; SimpleThread(int sleep) { sleeptime = sleep; public void run() { System.out.println(getName() + " started\n"); for (int i=0; i<5; i++) { try { sleep(sleeptime); catch(interruptedexception e) {; System.out.println(getName() + " running\n"); System.out.println(getName() + " finished"); H. Kosch Threads in Java 9

10 public class main { public static void main (String args[]) { SimpleThread a,b; a = new SimpleThread(250); b = new SimpleThread(500); System.out.println("Starting Threads...\n"); a.start(); b.start(); try {a.join(); catch (InterruptedException e) {; try {b.join(); catch (InterruptedException e) {; System.out.println("Leaving Main\n"); H. Kosch Threads in Java 10

11 Die Klasse Thread (Auswahl der Methoden) class Thread extends Object { Thread() Thread(Runnable target, String name) Thread(String name) Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name) Thread(ThreadGroup group, String name) void start() void run() void join() static void yield() boolean isalive() void setdaemon(boolean on) boolean isdaemon() H. Kosch Threads in Java 11

12 void setpriority(int newpriority) static void sleep(long millis) static Thread currentthread() void setname(string name) String getname() String tostring() H. Kosch Threads in Java 12

13 Das Runnable-Interface Problem: Ableitung von der Klasse Thread ist in der Regel nicht möglich (Ableitung von der Klasse Thread verhindert Ableitung von anderer Klasse) Trennung von Thread of Control und auszuführender Methode Beachte: run()-methode ist Bestandteil eines Objektes public interface Runnable { class Thread implements Runnable { public void run(); Thread(Runnable r) {... public void run() { r.run(); H. Kosch Threads in Java 13

14 Starten von Threads via Runnable class RunningObject implements Runnable { int sleeptime; public void run() { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " started\n"); for (int i=0; i<5; i++) { try { Thread.sleep(sleeptime); catch(interruptedexception e) {; System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " running\n"); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " finished"); H. Kosch Threads in Java 14

15 public class main { public static void main (String args[]) { Thread a,b; /* now use basic threads */ RunningObject robj; robj = new RunningObject(); robj.sleeptime = 500; a = new Thread(robj); b = new Thread(robj); System.out.println("Starting Threads...\n"); a.start(); b.start(); try {a.join(); catch (InterruptedException e) {; try {b.join(); catch (InterruptedException e) {; System.out.println("Leaving Main\n"); H. Kosch Threads in Java 15

16 Runnable und Threads runnable1 class ImplementsRunnable public void run() class members class functions new new runnable2 thread1 thread1 thread1 Runnable r Runnable r Runnable r new new class Thread new H. Kosch Threads in Java 16

17 Runnable und Threads Methoden eines Objektes können von mehr als einem Thread ausgeführt werden Member-Variablen des Objektes sind von allen Methoden des Objektes von allen Threads aus erreichbar Zugriff auf Member-Variablen muß synchronisiert werden Lock-Mechanismus zur Realisierung atomarer Operationen auf Hochsprachen-Niveau (Java) Lock für Objekte realisiert H. Kosch Threads in Java 17

18 Synchronisierter Zugriff auf sleeptime synchronized Zugriffsfunktionen bereitstellen: synchronized public void setsleeptime() {... synchronized public int getsleeptime() {... synchronized Anweisungsblöcke verwenden: public class main { public static void main (String args[]) {... synchronized (robj) { robj.sleeptime = 500;... H. Kosch Threads in Java 18

19 Objekt-Lock vs. Class-Lock Objekt-Lock zur Synchronisation von Methoden eines Objektes Lock für static Methoden einer Klasse? System nutzt hierfür den Lock des Klassen-Objektes public class RunningObject implements Runnable { protected sleeptime; synchronized public void setsleeptime(int sleep) { sleeptime = sleep; synchronized public int getsleeptime() { return sleeptime;... H. Kosch Threads in Java 19

20 Objekt-Lock vs. Class-Lock Class-Lock erlaubt atomare Operationen auf static-variablen wird als Objekt-Lock auf Class.forName("Klassen-Name") realisiert public class RunningObject implements Runnable { private static sleeptime; synchronized public static void setsleeptime(int sleep) { sleeptime = sleep; synchronized public static int getsleeptime() {... return sleeptime; H. Kosch Threads in Java 20

21 Service Threads Problem: Zeitaufwendige Methoden sollen in einem separaten Thread ausgeführt werden (ohne Prog 0, mit Thread Prog 1): Client Object Client Thread method call ersetzen durch: Service Object start Server local work process results new ServerThread(args) Server Thread process query return results exit Thread H. Kosch Threads in Java 21

22 Probleme und Bemerkungen zu den ersten beiden Programen Prog 0 erzeugt noch keinen Thread. Prog 1 lagert den Serverthread aus, d.h. der Client kann meherere Severthreads zumindestens starten. Der Suchvorgang kann zeitaufwendig sein Beispiel: Anfrage an der Suchmaschine - Warten auf Antwort und der Client kann zwischenzeitlich andere Aufgaben wahrnehmen Aber, der Client muß für jeden Service einen neuen Thread starten. Abhilfe: Server Thread läuft immer. H. Kosch Threads in Java 22

23 Rückgabe Ergebnisse Client muß auf Beendigung des Server-Threads warten: Polling mittels serverthread.isalive() - vermeiden Join verwenden: serverthread.join() Ergebnisse zurückgeben Client ruft Methode des Server-Objektes: result = server.result(); Callback durch den Server: clientobjekt.result callback(results) setzt voraus, daß Identität des Clients als Argument dem Server übergeben wurde H. Kosch Threads in Java 23

24 Erweiterung: Bedienung mehrerer Anfragen Clients (Prog 2) Server-Thread wird separat als Daemon gestartet Übergabe des Auftrages (Query) an den Server-Thread Rückgabe des Ergebnisses an den rufenden Thread H. Kosch Threads in Java 24

25 Erweiterung: Bedienung mehrerer Anfragen Thread main start Server start Client Thread(s) new Thread server Thread client local work request return handle request return answer other requests callback local work programm ends killed by VM return H. Kosch Threads in Java 25

26 Server Thread als Daemon Thread wird im Hintergrund ausgeführt Thread kann von der Java Virtual Machine beendet werden, sobald alle anderen Threads beendet wurden SearchEngine se = new SearchEngine(); Thread thread = new Thread(se); thread.setdaemon(true); thread.start(); H. Kosch Threads in Java 26

27 Server Thread als Daemon Alternative: Erweiterung des Server-Threads um eine Variable, die die Beendigungsanforderung signalisiert Einführung einer Methode request thread exit(), welche diese Anforderung registriert und in der Variablen speichert run()-methode prüft Bedingung und kehrt zurück, falls angefordert H. Kosch Threads in Java 27

28 Datenaustausch zwischen Client und Server Rückgabe des Ergebnisses via Callback-Methode Server benötigt Referenz auf Client-Objekt Zur Übergabe der Referenz verwendet man das Interfacekonzept: Client-Objekt muß Callback-Interface bereitstellen: interface QueryRequest interface QueryRequest stellt die Callback-Methode anwser zur Verfügung (welches den Client aufweckt). Client-Objekt/Thread muß auf das Ergebnis warten, falls nötig H. Kosch Threads in Java 28

29 Datenaustausch zwischen Client und Server Thread client Thread server request synchronized request() { while (busy) wait(); // save args busy = true; notify(); while (!busy) wait(); // save args local work handle request synchronized (this) { while(!got_answer) wait(); callback answer() { // call client.answer() busy = false; notify(); H. Kosch Threads in Java 29

30 Übergabe eines Auftrages Client muß Server-Objekt kennen Server nutzt wait()/notify(), um auf Request zu warten Client ruft server.request(client,args) request speichert Argumente in den Datenstrukturen des Server-Objektes und signalisiert dem Server-Thread mittels notify() das Vorhandensein eines neuen Auftrages request blockiert, falls Server-Thread gerade einen Request bearbeitet (erfordert is busy-variable) run()-methode des Servers läuft als Endlos-Schleife H. Kosch Threads in Java 30

31 Anwendung: Verwendung mehrerer Server-Threads (Prog 3) Client Client answer request Manager request answer SearchEngine start Thread start Thread SearchEngine Vorteil: Der Manager kann die Systemlast begrenzen, indem er eine Maximalzahl gleichzeitig aktiver SearchEngine-Threads festlegt H. Kosch Threads in Java 31