5. Threads, Serverprozesse und Benachrichtigungen

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1 5. Threads, Serverprozesse und Benachrichtigungen Threads allgemein Threads in Android: Handler und Messages Services: Local, Remote, Binding Benachrichtigungen Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

2 Thread 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. Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

3 Sequentielle Abarbeitung (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(); Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

4 Sequentielle Abarbeitung (2) public class ABCPrinter { public void run() { for (char c= A ; c<= Z ; c++) { System.out.print(c); Machmal.eineSekundeNix(); public void start() { run(); Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

5 Liefert die Ausgabe: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ Sequentielle Abarbeitung Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

6 Beispiel: Thread (1) 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 { public void run() { for (char c= A ; c<= Z ; c++) { System.out.print(c); Machmal.eineSekundeNix(); Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

7 Beispiel: Thread (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: AABBCCDDEEFFGGHHIIJJKKLLMMNNOOPPQQRRSSTTUUVVWWXXY parallele Abarbeitung Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

8 Threads in Java (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). Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

9 Threads in Java (2) 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. Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

10 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. Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

11 Beispiel: Runnable (1) Hier die zweite Möglichkeit: Wir nutzen implements statt extends. public class ABCRunnable implements Runnable { public void run() { for (char c= A ; c<= Z ; c++) { System.out.print(c); Machmal.eineSekundeNix(); Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

12 Beispiel: Runnable (2) 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(); Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

13 Die Klasse Thread 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() Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

14 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 boolean isinterrupted() liefert true, wenn das Abbruch-Flag gesetzt ist. Klassenmethoden(u.a.): public static Thread currentthread() liefert eine Referenz auf den Thread, der gerade ausgeführt wird. Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

15 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. Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

16 Beispiel: sleep public class Machmal { public static void einesekundenix() { try { Thread.sleep(1000); catch(interruptedexception e) { Die Methode sleep() kann eine InterruptedException auslösen. Das Abbruch-Flag des Threads wird dabei zurückgesetzt. Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

17 Threads vorzeitig beenden 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. Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

18 Lebenszyklus eines Threads 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. Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

19 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. Mit Hilfe von isalive kann ermittelt werden, ob ein Thread in den Zuständen ausführbar oder nicht ausführbar ist. Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

20 Scheduling 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). Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

21 Methoden zur Steuerung der Priorität: getpriority und setpriority. Höchste Priorität gleich 10 (MAX PRIORITY), niedrigste gleich 1 (MIN PRIORITY). Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

22 Synchronisation 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 Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

23 Beispiel: Leser/Schreiber (1) 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++; Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

24 Beispiel: Leser/Schreiber (2) public class ZaehlThread extends Thread { public void run() { for (;;) Sequenz.naechster(); Wie sieht die Ausgabe u.u. aus, wenn zwei ZaehlThreads parallel laufen? Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

25 Sperren, Monitor 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. Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

26 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. Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

27 Monitor mit synchronized 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: Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

28 Klassen- und Instanzmethoden mit synchronized 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. Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

29 Das Erzeuger/Verbraucher-Problem 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); Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

30 Solch ein Puffer wird von einem Erzeuger-Thread mit den Werten von 0 bis 4 gefüllt. class Erzeuger extends Thread { Wert w; public Erzeuger(Wert w) { this.w = w; public void run() { for (int i=0 ; i<5 ; i++) { w.put(i); System.out.println("Erzeuger put: " + i); try { sleep((int) (Math.random() * 100)); catch(interruptedexception e) { Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

31 Ein Verbraucher-Thread holt die Werte aus dem Puffer. class Verbraucher extends Thread { Wert w; public Verbraucher(Wert w) { this.w = w; public void run() { int v; for (int i=0 ; i<5 ; i++) { v = w.get(); System.out.println("Verbraucher get: " + v); try { sleep((int) (Math.random() * 100)); catch(interruptedexception e) { Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

32 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 v = new Verbraucher(w); e.start(); v.start(); Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

33 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. Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

34 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. Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

35 public final void notifyall() reaktiviert alle Thread, die sich im Wartezustand bezüglich des aktuellen Objekts befinden. Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

36 Eine bessere Spezialisierung des abstrakten Puffers: class GuterWert extends Wert { private boolean verfuegbar = false; public synchronized int get() { if (!verfuegbar) { try { wait(); catch (InterruptedException ie) { verfuegbar = false; notify(); return wert; Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

37 public synchronized int put(int w) { if (verfuegbar) { try { wait(); catch (InterruptedException ie) { wert = w; verfuegbar = true; notify(); Das Flag verfuegbar zeigt an, ob ein Wert bereitsteht. Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

38 Kein Wert verfügbar, dann wait() in get(). put() weckt mit notify() den Verbraucher-Thread, wenn Wert zur Verfügung steht. put()/get() analog Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

39 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 Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal

40 Zusammenfassung Threads: parallele Kontrollflüsse in einem Programm Implementierung: implements Runnable oder extends Thread kritische Bereiche, Monitor: synchronized Gegenseitiges Warten: wait(), notify() Entwicklung mobiler Anwendungen Europäische Fachhochschule Brühl/Neuss, 3. Quartal