Vorlesung Informatik II

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1 Vorlesung Informatik II Universität Augsburg Wintersemester 2011/2012 Prof. Dr. Bernhard Bauer Folien von: Prof. Dr. Robert Lorenz Lehrprofessur für Informatik 17. JAVA Kommunikation von Threads 1

2 Motivation Threads verzahnen nichtdeterministisch (siehe Informatik 1) ihre Verarbeitungsschritte das kann bei Zugriff auf gemeinsame Daten zu Problemen führen: Falsche Ergebnisse Unterschiedliche Ergebnisse bei mehrfacher Ausführung 2

3 Motivation Beispiel 1: Gemeinsame Daten int y, x = 2 Thread 1: (1) u = x (2) u = -u (3) x = u Thread 2: (4) v = x (5) v = v * x (6) y = v Ergebnis: (x,y)=(-2,4) oder =(-2,-4), je nach Verzahnung 3

4 Motivation Beispiel 1: Gemeinsame Daten int y, x = 2 public class Data { int x,y;... public class Thread1 extends Thread { private Data data; public Thread1(Data d){ data = d; start(); public void run(){ int u = data.getx(); u = -u; data.setx(u);... 4

5 Motivation Beispiel 1: Gemeinsame Daten int y, x = 2 public class Data { int x,y;... public class Thread2 extends Thread { private Data data; public Thread2(Data d){ data = d; start(); public void run(){ int v = data.getx(); v = v * data.getx(); data.sety(v);... 5

6 Motivation Beispiel 1: Gemeinsame Daten int y, x = 2 public static void main(string[] args) { Data d = new Data(); d.setx(2); new Thread1(d); new Thread2(d); System.out.println( x: +d.getx()); System.out.println( y: +d.gety()); 6

7 Motivation Beispiel 2: Zwei Threads benutzen Schreiboperation einer Klasse, die einen Wert vor und nach einer Berechnung (die etwas dauert) ausgibt public class PrintClass { private static long TestValue = 0; public void print(string which, int runde){ this.which = which; this.runde=runde; System.out.println(which + " Thread, print Start: Round "+runde+", TestValue " + TestValue); for(int i=0; i< ; i++){ TestValue++; System.out.println(which + " Thread, print Ende: Round "+runde+", TestValue " + TestValue); 7

8 Motivation Beispiel 2: Zwei Threads benutzen Schreiboperation einer Klasse, die einen Wert vor und nach einer Berechnung (die etwas dauert) ausgibt public class WriteThread extends Thread {... public WriteThread(String name,printclass pc,int pause) {... public void run(){ for(int i=0;i<5;i++){ try{ sleep(pause); catch (Exception e){ pc.print(name,i); 8

9 Motivation Beispiel 2: Zwei Threads benutzen Schreiboperation einer Klasse, die einen Wert vor und nach einer Berechnung (die etwas dauert) ausgibt public static void main(string[] args) { PrintClass pc = new PrintClass(); new WriteThread("First",pc, 2000); new WriteThread("Second",pc, 2700); Ergebnis: Beide Threads unterbrechen gegenseitig Ausführungen von print (verzahnen Ausführungen von print) 9

10 Motivation Beispiel 2: Zwei Threads benutzen Schreiboperation einer Klasse, die einen Wert vor und nach einer Berechnung (die etwas dauert) ausgibt... Second Thread, print Start: Round 2, TestValue Second Thread, print Ende: Round 2, TestValue First Thread, print Start: Round 3, TestValue First Thread, print Ende: Round 3, TestValue First Thread, print Start: Round 4, TestValue Second Thread, print Start: Round 3, TestValue First Thread, print Ende: Round 4, TestValue Second Thread, print Ende: Round 3, TestValue Second Thread, print Start: Round 4, TestValue Second Thread, print Ende: Round 4, TestValue

11 Synchronisation Problem: Es kommt zu Daten-Inkonsistenzen durch Verzahnung von Threads auf gemeinsamen Daten 11

12 Synchronisation Lösung: Verbiete eine Verzahnung von Threads in kritischen Bereichen (fordere exklusiven Zugriff) Eine Anweisungs-Sequenz, die bei paralleler Ausführung durch mehrere Threads Daten-Inkonsistenzen hervorruft, heisst kritischer Bereich Idee: Definiere kritischen Bereich als unteilbare Aktion, die nur jeweils von einem Thread pro Objekt ausgeführt werden 12

13 Synchronisation Kritische Bereiche Problematisch: Verzahnte Schreiboperationen (Nur die aktuellste Schreiboperation wird gespeichert) Problematisch: Schreiboperation verzahnt mit Leseoperation (Lesewert vor und nach der Schreiboperation unterschiedlich) Unproblematisch: Verzahnte Leseoperationen (Wert wird nicht beeinflusst) 13

14 Synchronisation Unteilbare Aktionen Können von Threads pro Objekt nur sequentiell hintereinander ausgeführt werden Ausführung einer unteilbaren Aktion wird mit dem Zugriff auf ein Objekt synchronisiert (für unterschiedliche Objekte ist die Verzahnung offensichtlich unproblematisch) In Java synchronized (Object o) {<unteilbareaktion> Dient der Synchronisation von (u.u. mehreren) unteilbaren Aktionen mit einem Objekt o 14

15 Synchronisation In Java synchronized (Object o) {<unteilbareaktion> Tritt ein Thread in den Block (die unteilbare Aktion) ein, so hat er eine Sperre (Lock) auf das Objekt o. Kein anderer Thread kann in eine unteilbare Aktion des Objekts o eintreten, bevor die Sperre aufgehoben wurde (es kann zu jedem Zeitpunkt höchstens eine Sperre auf ein Objekt geben) Die Sperre wird aufgehoben, wenn der Thread den Block verlässt dann kann ein wartender Thread (gemäß interner Prioritäten) die Sperre bekommen 15

16 Synchronisation In Java synchronized (Object o) {<unteilbareaktion> Implementierung: Jedes Objekt verwaltet eine Referenz auf denjenigen Thread, der eine Sperre auf es hat 16

17 Synchronisation In Java synchronized (Object o) {<unteilbareaktion> Spezialfall: Synchronisation von Methoden synchronized meinemethode(<parameter>{ <Methoden-Rumpf> entspricht: meinemethode(<parameter>) { synchronized(this){ <Methoden-Rumpf> 17

18 Synchronisation Im Beispiel 1 (Ergebnis ist immer (x,y)=(-2,4)) public class Thread1 extends Thread { private Data data; public Thread1(Data d){ data = d; start(); public void run(){ synchronized(data){ int u = data.getx(); u = -u; data.setx(u);... (analog für Thread2) 18

19 Synchronisation Im Beispiel 2 public class PrintClass {... public synchronized void print(string which, int runde){... 19

20 Synchronisation Im Beispiel 2 (Alternative) public class WriteThread extends Thread {... public void run(){ for(int i=0;i<5;i++){ try{ sleep(pause); catch (Exception e){ synchronized(pc){ pc.print(name,i); 20

21 Synchronisation Im Beispiel 2: Ausgabe... First Thread, print Start: Round 2, TestValue First Thread, print Ende: Round 2, TestValue Second Thread, print Start: Round 2, TestValue Second Thread, print Ende: Round 2, TestValue First Thread, print Start: Round 3, TestValue First Thread, print Ende: Round 3, TestValue First Thread, print Start: Round 4, TestValue First Thread, print Ende: Round 4, TestValue Second Thread, print Start: Round 3, TestValue Second Thread, print Ende: Round 3, TestValue Second Thread, print Start: Round 4, TestValue Second Thread, print Ende: Round 4, TestValue

22 Kommunikation zwischen Threads Manchmal müssen Threads kooperieren, z.b. ein Thread auf Ergebnisse eines anderen Threads warten. Fall 1: Ergebnisse liegen bei Terminierung vor Methode der Klasse Thread: void join() throws InterruptedException e Verarbeitender (aufrufender) Thread wartet auf Beendigung des empfangenden Threads (Ein Thread führt Liste derjenigen Threads, die auf ihn warten) 22

23 Kommunikation zwischen Threads Manchmal müssen Threads kooperieren, z.b. ein Thread auf Ergebnisse eines anderen Threads warten. Fall 1: Ergebnisse liegen bei Terminierung vor Methode der Klasse Thread: void join() throws InterruptedException e Beispiele (Aufruf durch interne Threads): Aufruf in main: Hauptprogramm wartet mit Weiterverarbeitung Aufruf in actionperformed: Ereignisbehandlung wartet 23

24 Kommunikation zwischen Threads Manchmal müssen Threads kooperieren, z.b. ein Thread auf Ergebnisse eines anderen Threads warten. Fall 2: Ergebnisse liegen während der Abarbeitung vor Methode der Klasse Object: void wait() throws InterruptedException e Aufrufendes Objekt veranlasst verarbeitenden Thread, seine Sperre freizugeben und zu warten, durch einen anderen Thread wieder aktiviert zu werden (versetzt Thread in Wartezustand) Kann nur in einem synchronized-block verwendet werden 24

25 Kommunikation zwischen Threads Manchmal müssen Threads kooperieren, z.b. ein Thread auf Ergebnisse eines anderen Threads warten. Fall 2: Ergebnisse liegen während der Abarbeitung vor Methode der Klasse Object: void wait() throws InterruptedException e Implementierung: Jedes Objekt führt eine Liste derjenigen Threads, die auf eine Sperre auf es warten 25

26 Kommunikation zwischen Threads Manchmal müssen Threads kooperieren, z.b. ein Thread auf Ergebnisse eines anderen Threads warten. Fall 2: Ergebnisse liegen während der Abarbeitung vor Methode der Klasse Object: void notify() Aufrufendes Objekt veranlasst verarbeitenden Thread, Sperre an einen wartenden anderen Thread zu übergeben (aktiviert einen anderen Thread) Kann nur in einem synchronized-block verwendet werden 26

27 Kommunikation zwischen Threads Manchmal müssen Threads kooperieren, z.b. ein Thread auf Ergebnisse eines anderen Threads warten. Fall 2: Ergebnisse liegen während der Abarbeitung vor Methode der Klasse Object: void notify() Implementierung: Ein zufälliger Thread aus der Warteliste wird aktiviert. Er setzt seine Verarbeitung dort fort, wo er vorher aufgehört hat 27

28 Kommunikation zwischen Threads Manchmal müssen Threads kooperieren, z.b. ein Thread auf Ergebnisse eines anderen Threads warten. Fall 2: Ergebnisse liegen während der Abarbeitung vor Methode der Klasse Object: void notifyall() Aktiviert alle auf die Sperre wartenden Threads. Kann nur in einem synchronized-block verwendet werden Implementierung: Alle Threads aus der Warteliste werden aktiviert 28

29 Kommunikation zwischen Threads Manchmal müssen Threads kooperieren, z.b. ein Thread auf Ergebnisse eines anderen Threads warten. Beispiel: Sender und Empfänger Sender sendet Nachrichten in bestimmten Abständen Empfänger empfängt Nachrichten in bestimmten Abständen Nachrichtenpuffer ist beschränkt Sender muss warten, falls Puffer voll ist Empfänger muss warten, falls Puffer leer ist 29

30 Kommunikation zwischen Threads Manchmal müssen Threads kooperieren, z.b. ein Thread auf Ergebnisse eines anderen Threads warten. Beispiel: Sender und Empfänger [der Sender als Thread] class Sender extends Thread { private Puffer p; Sender(Puffer p){this.p=p; public void run(){ while(true){ try{sleep(1000);catch(exception e){ p.senden(); 30

31 Kommunikation zwischen Threads Manchmal müssen Threads kooperieren, z.b. ein Thread auf Ergebnisse eines anderen Threads warten. Beispiel: Sender und Empfänger [der Empfänger als Thread] class Empfaenger extends Thread { private Puffer p; Empfaenger(Puffer p){this.p=p; public void run(){ while(true){ p.empfangen(); try{sleep(1000);catch(exception e){ 31

32 Kommunikation zwischen Threads Manchmal müssen Threads kooperieren, z.b. ein Thread auf Ergebnisse eines anderen Threads warten. Beispiel: Sender und Empfänger [der Puffer] class Puffer { private static int nummer = 0; private Vector<String> nachrichten = new Vector<String>(); private int schranke = 10;... 32

33 Kommunikation zwischen Threads Manchmal müssen Threads kooperieren, z.b. ein Thread auf Ergebnisse eines anderen Threads warten. Beispiel: Sender und Empfänger [der Puffer: nur senden, falls Puffer nicht voll, nach Senden Empfänger aktivieren] class Puffer {... synchronized void senden(){ while (nachrichten.size()==schranke{ try{wait();catch(exception e){ nachrichten.addelement( + ++nummer); notifyall();... 33

34 Kommunikation zwischen Threads Manchmal müssen Threads kooperieren, z.b. ein Thread auf Ergebnisse eines anderen Threads warten. Beispiel: Sender und Empfänger [der Puffer: empfangen, falls Puffer nicht leer, nach Empfangen Sender benachrichtigen] class Puffer {... synchronized void empfangen(){ while (warten.size()==0){ try{wait();catch(exception e){ nachrichten.remove(0); notifyall();... 34

35 Kommunikation zwischen Threads Manchmal müssen Threads kooperieren, z.b. ein Thread auf Ergebnisse eines anderen Threads warten. Beispiel: Sender und Empfänger [Hauptprogramm] class Programm{ public static void main (String[] args){ Puffer p = new Puffer(); Thread send = new Sender(p); Thread receive = new Empfaenger(p); send.start(); receive.start(); 35

36 Verklemmungen Deadlock (Verklemmung) Ein Deadlock ist eine Situation, in der keine Aktion mehr ausgeführt wird (werden kann), obwohl ein Programm noch nicht beendet wurde Dormacy (für immer schlafende Threads) Dormacy ist eine Situation, in der es in einem Programm nur noch wartende Threads und keine aktiven mehr, so dass die wartenden Threads nie wieder aktiviert werden können Dormacy führt zu einem Deadlock 36

37 Verklemmungen Beispiel: Im einfachsten Fall kann es zu einem Deadlock kommen, wenn zwei Threads je ein Objekt gesperrt haben und auf die Freigabe der jeweils anderen Sperre warten: class Data {... public void method(data other){ synchronized(this){ synchronized(other){ Allgemein: Es existiert ein Zyklus in der Beziehung zwischen Objekten, die von verschiedenen Threads genutzt werden. 37

38 Verklemmungen Problem: Deadlocks sind schwer zu finden, da sie von einer konkreten Aufrufreihenfolge in verschiedenen Threads abhängen Deadlocks treten aufgrund des Nichtdeterminismus bei der Abarbeitung von Threads nicht zwingend auf, selbst wenn das Programm die Möglichkeit eines Deadlocks birgt. Daher ist der Kontext und die Aufrufgeschichte nötig, um einen Deadlock überhaupt beschreiben zu können Verwende für eine Darstellung einer solchen Aufrufgeschichte, z.b. Sequenzdiagramme 38

39 Sequenzdiagramme Parallele Verarbeitung und Synchronisation lassen sich mittels Sequendiagrammen darstellen synchronized(object o) Wird als synchrone Botschaft des Threads an o modelliert wait(), notify(), notifyall(): Werden als asynchrone Botschaften des gesperrten Objekts an sich selbst modelliert Wie lässt sich visualisieren, ob ein Thread wartet oder aktiv ist, und wenn er aktiv ist, für welches Objekt er das ist?: Schraffiere geeignet die Balken zur Visualisierung der Operationsdauern 39