Liste Programmieren Java Überblick

Transkript

1 Liste Programmieren Java Überblick 1 Was ist Java? 2 Klassen und Objekte 3 Vererbung 4 Schnittstellen 5 Innere Klassen 6 Exceptions 7 Funktionsbibliothek 8 Datenstrukturen und Algorithmen 9 Ein-/Ausgabe 11 GUI-Programmierung mit SWING Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 414 Liste Programmieren Java Überblick: 10. Threads 10.3 Scheduling und Prioritäten Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 415

2 Einheit in Rechner, die parallel verarbeitet werden kann Prozess Verwaltet von Betriebssystem Black Box Eigener Adressraum Schwierige Kommunikation zwischen Prozessen Schwergewichtig Thread (dt. Faden oder Ausführungsstrang ) Parallelität innerhalb eines Prozesses Feinere Granularität Anwendung kontrolliert den Ablauf selbst Gemeinsamer Adressraum In die Sprache Java integriert Wichtig für GUIs Leichtgewichtig Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 416 Analogie Mehrere Threads mehrere Golfspieler Threads teilen sich Attribute der Klasse (Golfplatz) haben eigene Kopien von lokalen Variablen (in Methoden) (Golfstöcke, Bälle) Mehrere Threads müssen sich synchronisieren Ein Thread kann sich ein Objekt für eine bestimmte Zeit reservieren Ein wichtiger Thread kann seine Priorität erhöhen Zwei Beteiligte Das Thread Objekt der eigentliche Thread Das Ziel-Objekt (target) wird in dem Thread manipuliert Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 417

3 Thread - runnable: Runnable Runnable MeinRunnable Klasse Thread java.lang.thread + Thread(r: Runnable) + start() Kontrolliert und koordiniert Ablauf des Threads Starten Auf Ablaufende warten Schlafen legen Unterbrechen (interrupt) Durch Aufruf der Methode start() gestartet + run() Konstruktur erhält Ziel-Objekt übergeben Muss Methode run() haben Implementiert Interface java.lang.runnable run() wird von start() des Threads gestartet Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 418 Thread für eine Animation Animationsklasse class Animation implements Runnable { public void run() { while (true) { // male was Thread Animation happy = new Animation("Mr. Happy"); Thread mythread = new Thread(happy); mythread.start(); Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 419

4 Animations-Objekt verantwortet den eigenen Thread Mehr objektorientiertes Design class Animation implements Runnable { Thread mythread; Animation(String name) { mythread = new Thread(this); mythread.start(); public void run() { while (true) { // male was Thread startet bereits im Konstruktor Besser über separate Methode (z.b. startanimation()) Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 420 Nachfahre der Klasse Thread Ist bereits ein Runnable Methode run() überschreiben Klingt einfach und elegant. Ist aber kein gutes Design: (is-a)-problematik! class Animation extends Thread { public void run() { while (true) { // male was Default Konstruktor von Thread definiert sich selbst als Target start() Methode ruft die eigene run() Methode auf Wurde von uns überschrieben Animation bouncy = new Animation("Bouncy"); bouncy.start(); Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 421

5 Thread als Adapter-Klasse Implementiert als anonyme innere Klasse class Animation { public void startanimating() { // do setup, load images etc. // start a drawing thread Thread mythread = new Thread( new Runnable() { public void run() { drawframes(); ); mythread.start(); private void drawframes() { // do animation Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 422 Threads kontrollieren Methoden sleep() Thread wartet für eine bestimmte Zeit, ohne CPU-Zeit zu verbrauchen wait() und notify() Koordination zweier oder mehrerer Threads Thema: Thread Synchronisierung interrupt() Aufwecken eines schlafenden (sleep()) Threads Deprecated Methoden stop(), suspend(), resume() Gehen zu brutal mit Thread um Stattdessen: Monitor Variablen (Flags) im Thread zu günstigen Zeiten abfragen Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 423

6 Ablauf eines Applets als Thread Jede Sekunde soll mit repaint() etwas dargestellt werden Thread legt sich jeweils für 1000 msec schlafen public class UpdateApplet extends java.applet.applet implements Runnable { private Thread updatethread; int updateinterval = 1000; public void run() { while (updatethread!= null) { try { Thread.sleep(updateInterval); catch (InterruptedException e) { return; // wurde vorzeitig aufgeweckt: // run() beendet sich repaint(); // normale Zeit ist abgelaufen // ruft paint() auf Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 424 Ablauf eines Applets als Thread (fortgesetzt) Überschriebene start() und stop() Methoden der Klasse Applet Browser teilt Applet mit, wann es laufen soll und wann nicht public void start() { if (updatethread == null) { updatethread = new Thread(this); updatethread.start(); public void stop() { if (updatethread!= null) { Thread runner = updatethread; updatethread = null; // flag um aufzuhören runner.interrupt(); // wecke Thread auf Thread wird nicht mehr gebraucht 1. Garbage Collection 2. start(): Neuer Thread kann gestartet werden 3. Aktiver Thread: Höre auf Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 425

7 Ein Clock Applet public class Clock extends UpdateApplet { public void paint(java.awt.graphics g) { g.drawstring(new java.util.date().tostring(), 10, 25); Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 426 Liste Programmieren Java Überblick: 10. Threads 10.3 Scheduling und Prioritäten Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 427

8 Mehrere Threads Laufen unabhängig voneinander ab Zeitscheiben-Verfahren mehrere CPUs Können auf dieselben Daten eines Objektes zugreifen Das muss gegenseitig verriegelbar sein Synchronisieren von Zugriffen auf bestimmte Ressourcen Serialisieren der Zugriffe Ein Lock muss erworben werden Ist er nicht verfügbar, blockt der Thread bis er frei wird Jede Klasse und jede Instanz einer Klasse (also: Objekt) besitzt einen mit ihr verknüpften Lock Schlüsselwort synchronized definiert Stellen, wo ein solcher Lock erworben werden muss, bevor fortgefahren werden kann Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 428 Synchronisieren mehrerer Threads class SpeechSynthesizer { synchronized void say( String words ) { // sag was Methode say() kann immer nur von einem Thread zu einer Zeit benutzt werden Unabhängig davon, wer der Eigentümer des Threads ist Lock des Objektes wird verwendet Nach Ablauf der Methode wird Lock wieder freigegeben Wäre say() eine Klassenmethode, würde der der Klasse zugeordnete Lock verwendet Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 429

9 Synchronisieren mehrerer Threads (fortgesetzt) Ein einziger Lock für alle Instanz-Methoden einer Klasse Gilt für alle Methoden gemeinsam Befindet sich ein Thread in einer der synchronisierten Methoden, sind auch alle anderen synchronisierten Methoden gesperrt Entsprechend: Ein Lock für alle statischen Methoden einer Klasse Synchronisieren bestimmter Code-Blöcke synchronized ( myobject ) { // Synchronisierte Funktionalität Analogie synchronized void mymethod { // entspricht void mymethod () { synchronized ( this ) { // Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 430 Synchronisieren mehrerer Threads (fortgesetzt) Locks sind reentrant Wenn ein Thread einen Lock besitzt, kann er auch andere Ressourcen benutzen, die durch denselben Lock geschützt sind Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 431

10 wait() und notify() Methoden Bereits in Object vorhanden wait() Innerhalb eines synchronisierten Blocks kann Thread 1 den Lock freigeben Thread 1 wartet dann, bis er den Lock zurückbekommt Z.B.: Thread 1 wartet, dass ein anderer Thread 2 etwas zu einem Abschluss bringt notify() Der andere Thread 2 weckt den ursprünglichen durch notify() wieder auf Muss in einem Block laufen, der mit demselben Objekt synchronisiert ist Thread 1 wacht wieder auf und versucht, den Lock wieder zu erlangen Kann dauern Thread 2 muss Lock erst wieder freigeben Andere Threads könnten ebenfalls warten Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 432 wait() und notify() Methoden: Beispiel 3 Threads: waiter, notifier und related. Jeder versucht eine der Methoden auszuführen class MyThing { synchronized void waitermethod() { // tue etwas wait(); // warte, dass notifier etwas tut // fahre fort synchronized void notifiermethod() { // tue etwas notify(); // wir sind fertig damit // fahre mit anderen Dingen fort synchronized void relatedmethod() { // tue etwas Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 433

11 notify() Es wird immer nur ein wartender Thread aufgeweckt Warten mehrere, ist Auswahl nicht festgelegt notifyall() Weckt alle wartenden Threads auf Wird man normalerweise bei mehreren wartenden Threads benutzen Typische Sequenz eines wartenden Threads while (condition!= true) wait(); Zivilisierte Alternative zu Polling und Sleeping Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 434 Wechselwirkung zweier Threads Producer erzeugt Messages und platziert sie in Queue Consumer liest die Messages und zeigt sie an Consumer Thread laufe langsamer als Producer Thread import java.util.*; public class Consumer implements Runnable { Producer producer; Consumer(Producer producer) { this.producer = producer; public void run() { while (true) { String message = producer.getmessage(); System.out.println("Got message: " + message); try { Thread.sleep(2000); // Consumer is slow! catch (InterruptedException e) { Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 435

12 Wechselwirkung zweier Threads Consumer (fortgesetzt) public static void main( String args[] ) { Producer producer = new Producer(); new Thread(producer).start(); Consumer consumer = new Consumer(producer); new Thread(consumer).start(); Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 436 Wechselwirkung zweier Threads: Producer public class Producer implements Runnable { static final int MAXQUEUE = 5; private List messages = new ArrayList(); public void run() { while (true) { putmessage(); try { Thread.sleep(1000); // Produce every second catch (InterruptedException e) { private synchronized void putmessage() { while (messages.size() >= MAXQUEUE) try { wait(); catch (InterruptedException e) { messages.add(new java.util.date().tostring()); notify(); Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 437

13 Wechselwirkung zweier Threads: Producer (fortgesetzt) // Called by Consumer! public synchronized String getmessage() { while (messages.size() == 0) try { notify(); wait(); catch (InterruptedException e) { String message = (String) messages.remove(0); notify(); return message; Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 438 Liste Programmieren Java Überblick: 10. Threads 10.3 Scheduling und Prioritäten Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 439

14 10.3 Scheduling und Prioritäten Nur wenige Stichworte dazu In Spezifikation wenige Aussagen über Scheduling von Threads Threads haben Prioritäten Thread höherer Priorität unterbricht (preempts) Thread niedriger Priorität Threads gleicher Priorität werden nacheinander gescheduled (round-robin) Eventuell: Zeitscheiben-Verfahren (time-slicing) Von Java nicht garantiert Prioritäten können gesetzt werden mythread.setpriority( Thread.NORM_PRIORITY + 1); Größere Zahl: Höhere Priorität Vorsichtig anwenden; eher nur in Ausnahmefällen Andere Konstanten MIN_PRIORITY und MAX_PRIORITY Prof. Dr. Björn Dreher Liste Programmieren - Java 440