NEBEN - LÄUFIGE PROG RAM -

Transkript

1 carsten VOGT NEBEN - LÄUFIGE PROG RAM - M IERUNG EIN ARBEITSBUCH MIT UNIX/LINUX UND JAVA EXTRA: Mit kostenlosem E-Book Im Internet: Programmbeispiele, Lösungen zu den Aufgaben und Zusatzmaterialien

2 Vogt Nebenläufige Programmierung vbleiben Sie einfach auf dem Laufenden: Sofort anmelden und Monat für Monat die neuesten Infos und Updates erhalten.

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4 Carsten Vogt Nebenläufige Programmierung Ein Arbeitsbuch mit UNIX / Linux und Java mit 93 Bildern und 39 Programmen

5 Dr. Carsten Vogt ist Professor am Institut für Nachrichtentechnik der Fachhochschule Köln. Er lehrt dort Programmierung in Java und C, Betriebssysteme / Verteilte Systeme sowie Mobilgeräteprogrammierung. Alle in diesem Buch enthaltenen Informationen, Verfahren und Darstellungen wurden nach bestem Wissen zusammengestellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die im vorliegenden Buch enthaltenen Informationen mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autoren und Verlag übernehmen infolgedessen keine juristische Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieser Informationen oder Teilen davon entsteht. Ebenso übernehmen Autoren und Verlag keine Gewähr dafür, dass beschriebene Verfahren usw. frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt deshalb auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG genannten Sonderfälle, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden Carl Hanser Verlag München Lektorat: Dr. Martin Feuchte Herstellung: Dipl.-Ing. Franziska Kaufmann Coverconcept: Marc Müller-Bremer, München Coverrealisierung: Stephan Rönigk Datenbelichtung, Druck und Bindung: Kösel, Krugzell Ausstattung patentrechtlich geschützt. Kösel FD 351, Patent-Nr Printed in Germany ISBN: E-Book-ISBN:

6 Vorwort Für Computernutzer ist es heute selbstverständlich, dass sie mit ihren Geräten verschiedene Dinge gleichzeitig tun können einen Text schreiben, Musik hören, einen Film ablaufen lassen, Nachrichten empfangen und so weiter. Ebenso selbstverständlich ist es für sie, sich über das Internet mit anderen Computern zu verbinden und mit diesen zu kommunizieren und zu kooperieren. Heutige Computer arbeiten also nebenläufig, das heißt, sie können mehrere Aktionen zur selben Zeit ausführen. Nebenläufigkeit ist daher ein zentrales Themengebiet der Informatik: In der Technischen Informatik wird nebenläufig arbeitende Computerhardware entwickelt, die Praktische Informatik bietet Betriebssysteme und Programmiersprachen zur Erstellung und Steuerung nebenläufiger Programme an, und die Theoretische Informatik befasst sich mit Modellen, mit denen man nebenläufige Vorgänge darstellen und analysieren kann. In diesem weit gefächerten Feld konzentriert sich dieses Buch auf nebenläufige Software, gibt also eine grundständige Einführung in Begriffe und Techniken zur Realisierung nebenläufiger Programme. Das Buch wendet sich an Studierende und andere Interessierte, die bereits Grundkenntnisse in C und/oder Java sowie in Betriebssystemen wie UNIX oder Linux haben und die nun die Möglichkeiten kennenlernen wollen, die diese Sprachen und Systeme zur nebenläufigen Programmierung bieten. Leserinnen und Leser werden erfahren, wie man mit Prozessen und Threads nebenläufige Aktivitäten programmiert, wie man solche Aktivitäten synchronisiert (also zeitlich untereinander abstimmt) und wie man sie, lokal und im Internet, miteinander kommunizieren und kooperieren lässt. Sie werden jeweils zunächst eine allgemeine Einführung in die entsprechenden Grundbegriffe und Techniken erhalten und dann sehen, wie man diese an der C-Programmierschnittstelle von UNIX/Linux und in der Programmiersprache Java praktisch einsetzt. Anhand von zahlreichen Aufgaben können sie ihr neu erworbenes Wissen anwenden und vertiefen. Der Autor führt seit vielen Jahren Lehrveranstaltungen zur nebenläufigen Programmierung, zu Betriebssystemen und zu Verteilten Systemen im dritten und vierten Fachsemester von Informatikstudiengängen durch. Er kennt also die typischen Schwierigkeiten und Probleme, die Neulinge in diesem Gebiet haben. In seinen Vorlesungen, Übungen und Programmierpraktika bemüht er sich daher, seine Zuhörerschaft dort abzuholen, wo sie sich üblicherweise anfangs und während des zweiten Studienjahrs befindet und er möchte dies auch mit diesem Buch zu tun: Zahlreiche Beispiele, Grafiken, Codestücke sowie Übungsaufgaben sollen das Verständnis erleichtern und zum Einstieg in die eigenständige Arbeit anregen. Das Buch steht nicht allein: Es wird ergänzt durch die Webseite auf der man die Programmbeispiele, die Lösungen der Aufgaben und zusätzliche Materialien findet. Über Kommentare und (hoffentlich wenige) Fehlermeldungen freut sich der Autor unter [email protected]. Köln / Bergisch Gladbach, im Januar 2012 Carsten Vogt

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8 Inhalt 1 Einführung Basistechniken Formen der Nebenläufigkeit Hard- und Software eine Kurzeinführung Computer-Hardware Computer-Software Nebenläufigkeit in Hardware Nebenläufigkeit in Software Die Rolle des Betriebssystems Systemarchitekturen Aufgaben und Schnittstellen Virtualisierung Netzdienste und verteilte Systeme Betriebsarten Prozesse und Threads Prozesse Threads Der Lebenszyklus Implementierungsaspekte Buchführung Dispatching Scheduling Prozesse und Threads in UNIX/Linux Kommandos der Benutzerschnittstelle Grundlegende API-Funktionen für Prozesse Die Funktion fork() Weitere Funktionen Programmbeispiele Grundlegende API-Funktionen für Threads Pthreads: pthread_create(), pthread_exit() Pthreads: pthread_join(), pthread_cancel() vfork() und clone()...59

9 8 Inhalt 2.4 Threads in Java Die Klasse Thread run() und start() join() Weitere Methoden Grundlegende Programmiertechniken Zugriff auf gemeinsame Variablen Beenden von Threads Zusammenfassung und Ausblick A Basistechniken: Aufgaben A.1 Wissens- und Verständnisfragen A.2 Sprachunabhängige Anwendungsaufgaben A.3 Programmierung unter UNIX/Linux A.4 Programmierung in Java Synchronisation Synchronisationsbedingungen Elementare Bedingungen Wechselseitiger Ausschluss Reihenfolgebedingung Komplexere Probleme Erzeuger-Verbraucher-Problem Leser-Schreiber-Problem Philosophenproblem Einfache Synchronisationsmechanismen Grundlegende Eigenschaften Interruptsperren Spinlocks Signale und Events Synchronisation durch Semaphore Arbeitsprinzip von Semaphoren Datenstrukturen und Operationen Semaphoroperationen in Bild und Notation Varianten und Erweiterungen Einsatz bei Standardproblemen Wechselseitiger Ausschluss...96

10 Inhalt Reihenfolgebedingung Erzeuger-Verbraucher-Problem Leser-Schreiber-Problem Philosophenproblem Systematische Lösung von Problemen Fehlerquellen Deadlocks: Problematik Deadlocks: Lösungen Missachtung der Atomarität Einsatz von sleep() Mangelnde Fairness Synchronisation durch Monitore Grundprinzip von Monitoren Definition des Monitorbegriffs Beispiel: Einfacher Ringpuffer mit Überschreiben Bedingungsvariablen Zweck und Einsatz Beispiel: Ringpuffer für Erzeuger/Verbraucher Lösung weiterer Standardprobleme Reihenfolgebedingung Leser-Schreiber-Problem Philosophenproblem Mechanismen in UNIX/Linux Signale Lock-Dateien Semaphore Erzeugen von Semaphorgruppen Initialisieren und Löschen P- und V-Operationen Programmstrukturen und -beispiele Mutexe mit Bedingungsvariablen Mutexe Bedingungsvariablen Beispiel: Erzeuger-Verbraucher mit Ringpuffer Mechanismen in Java Atomare Operationen Basistypen Collections...136

11 10 Inhalt Semaphore Die Klasse Semaphore Beispiel: Reihenfolgebeziehung Monitore synchronized wait() und notify() Die Interfaces Lock und Condition Weitere Mechanismen Zusammenfassung und Ausblick A Synchronisation: Aufgaben A.1 Wissens- und Verständnisfragen A.2 Sprachunabhängige Anwendungsaufgaben A.3 Programmierung unter UNIX/Linux A.4 Programmierung in Java Kommunikation Grundlegende Begriffe Arten der Kommunikation Sender-Empfänger-Beziehungen Ein oder mehrere Sender und Empfänger Direkte vs. indirekte Kommunikation Enge vs. lose zeitliche Kopplung Kommunikation in Rechnernetzen Schnittstellen: Sockets Protokolle und Protokollstacks Der Protokollstack des Internets Techniken in UNIX/Linux Shared Memory API-Funktionen Programmbeispiel: Erzeuger-Verbraucher-System Pipes Benannte Pipes Unbenannte Pipes Message Queues API-Funktionen: Erzeugen und Löschen API-Funktionen: Senden und Empfangen Programmbeispiel: Erzeuger-Verbraucher-System...181

12 Inhalt Sockets Domains und Typen API-Funktionen: Übersicht API-Funktionen: Erzeugen und Schließen API-Funktionen: Verbinden und Kommunizieren Programmbeispiel: Stream-Sockets Programmbeispiel: Datagram-Sockets Techniken in Java Übersicht Piped Streams Sockets Stream-Sockets Datagram-Sockets Zusammenfassung und Ausblick A Kommunikation: Aufgaben A.1 Wissens- und Verständnisfragen A.2 Sprachunabhängige Anwendungsaufgaben A.3 Programmierung unter UNIX/Linux A.4 Programmierung in Java Kooperation Modelle und Techniken Das Client-Server-Modell Grundlegende Struktur Zeitliche Abläufe Implementierungsaspekte Das Peer-to-Peer-Modell Programmiertechniken Prozedurorientierte Kooperation Objektorientierte Kooperation Webbasierte Kooperation Techniken in UNIX/Linux Kooperation über Sockets Remote Procedure Call (RPC) Komponenten und ihr Zusammenspiel Schritte der Programmierung...230

13 12 Inhalt 5.3 Techniken in Java Remote Method Invocation (RMI) Komponenten und ihr Zusammenspiel Schritte der Programmierung Dynamische Webseiten Applets Servlets und Java Server Pages Web Services Zusammenfassung A Kooperation: Aufgaben A.1 Wissens- und Verständnisfragen A.2 Sprachunabhängige Anwendungsaufgaben A.3 Programmierung unter UNIX/Linux A.4 Programmierung in Java Literatur und Internet Index