Institut fu r Informatik

Transkript

1 Technische Universita t Mu nchen Institut fu r Informatik Lehrstuhl fu r Bioinformatik Praktikum: Grundlagen der Programmierung Prof. B. Rost, L. Richter WS Aufgabenblatt Januar Threads 9.1 (U ) Allgemeine Fragen (a) Was sind Threads und wozu dienen sie? (b) Aus mindestens wievielen Threads besteht jedes Programm? (c) Was macht der folgende Java-Code? Wie und wo wird hier ein Thread erzeugt? Wann enden beide Threads? public class HelloWorldRunner implements Runnable System. out. println ( " Hello World! My Name is " + Thread. currentthread (). getname () ); Thread t = new Thread ( new HelloWorldRunner ()); t. start (); (d) Was wa re anders, wenn anstelle von t.start() die Methode t.run() aufgerufen werden wu rde? (e) Laufen Threads grundsa tzlich echt parallel ab? Du rfen Sie Annahmen u ber die Laufzeit eines Threads machen? (f) Kann die Ausfu hrung von Threads jederzeit, d.h. insbesondere an jeder beliebigen Stelle eines Programms, unterbrochen werden? Betrachten Sie hierzu die Ausgabe des folgenden Beispielcodes: public class VerboseThread implements Runnable { private int id ; public VerboseThread ( int id ) { this. id = id ; 1

2 @Override while (! Thread. interrupted ()) { System. out. print (" Thread " + id + " says : "); System. out. println ("I am thread " + id ); Thread tone = new Thread ( new VerboseThread ( 1)); Thread ttwo = new Thread ( new VerboseThread ( 2)); tone. start (); ttwo. start (); //... (g) Was machen die Methoden Thread.sleep(long millis), Thread.yield() und Thread.join()? Wozu dient in diesem Zusammenhang eine InterruptedException? (h) Sowohl Thread.sleep() als auch Thread.yield() sind statische Methoden. Auf welchen Thread wirkt sich der Aufruf dieser Methoden aus? Betrachten Sie hierzu beispielsweise die Methoden run() und main() aus Teilaufgabe (c). (i) Diskutieren Sie den folgenden Code-Ausschnitt. Was macht dieses Programm? Vergegenwärtigen Sie sich die verschiedenen Ausführungsstränge! Wie werden die Threads beendet? public class WaitThread implements Runnable { while (! Thread. interrupted ()) { try { System. out. println ("I am still alive. I will sleep for a second... "); // Sleep for _about_ a second. Thread. sleep (1000); catch ( InterruptedException e) { Thread. currentthread (). interrupt (); System. out. println ("I ve been interrupted and will terminate myself."); Thread t = new Thread ( new WaitThread ()); t. start (); try { Thread. sleep (3000); catch ( InterruptedException e) { finally { // Tell the thread t to terminate. t. interrupt (); 2

3 9.2 (Ü) Hallo Echo... Im Folgenden sollen Sie ein Programm schreiben, dass Ihnen zu einer Eingabe ein virtuelles Echo erzeugt. Die eingegebene Zeichenkette soll dabei sekündlich auf der Konsole wiederholt werden, wobei die Zeichenkette bei jeder Wiederholung um zwei Zeichen von vorne verkürzt wird. Beispielsweise soll die Eingabe Hallo Echo die folgende Ausgaben erzeugen: llo Echo o Echo Echo ho Echo von einer einzelnen Eingabe Um das Echo für eine Zeichenkette zu erzeugen, soll ein Thread verwendet werden. Die Implementierung soll dabei in der Klasse Echo erfolgen, die das Interface Runnable implementiert und deren Konstruktor die zu wiederholende Zeichenkette übergeben bekommt. In der Methode run() soll der Thread jeweils eine Sekunde pausieren, bevor die nächste verkürzte Zeichenkette ausgegeben wird. Sobald die Zeichenkette soweit verkürzt ist, dass nichts mehr ausgegeben wird, soll sich der Thread von selbst beenden. Der Rumpf für das Einlesen einer Zeichenkette ist bereits in der main()-methode vorhanden. Nach dem Einlesen soll für die eingelesene Zeichenkette der Echo-Thread erzeugt und gestartet werden. Testen Sie Ihr Programm nun mit verschiedenen Eingaben. Echo von mehreren Eingaben Nun soll das Programm so erweitert werden, dass auch mehrere Eingaben hintereinander erlaubt sind, für die jeweils ein entsprechendes Echo erzeugt wird. Wenn die Eingaben schnell genug hintereinander stattfinden, sollte dies zu einer Verschachtelung der Echos führen. Ändern Sie die main()-methode so ab, dass solange Zeichenketten eingelesen und der dazugehörige Thread erzeugt und gestartet werden, bis der Benutzer stop eingibt. Testen Sie wiederum ihr Programm mit verschiedenen Eingaben und prüfen Sie, ob Ihr Programm beendet wird, sobald Sie stop eingeben. Beenden aller Threads Falls Sie stop eingegeben haben, während ein Echo noch wiederholt wurde, werden Sie bemerkt haben, dass zwar die main()-methode dadurch beendet wurde, die übrigen Threads aber solange fortgesetzt wurden, bis sämtliche Echo-Threads vollständig ausgeführt wurden. Ändern Sie Ihr Programm nun so ab, dass bei der Eingabe von stop alle Threads inklusive der Echos unmittelbar beendet werden. Merken Sie sich dazu alle erzeugten Echo-Threads in einer Liste und teilen Sie beim Beenden des Programms allen Threads mit Hilfe der Methode interrupt() mit, dass sie sich selbst beenden sollen. Ändern Sie die Methode run() entsprechend so ab, dass der Thread sich nach dem Interrupt selbst beendet. 3

4 9.3 (Ü) Synchronisation (a) Welche Werte können Threads untereinander lesen und schreiben? (b) Worauf muss beim Zugriff auf gemeinsam genutzte Variablen und Objekte geachtet werden? (c) Was bezeichnet der Begriff Race Condition? Nennen Sie Beispiele für Fehler, die in diesem Zusammenhang auftreten können. (d) Was bezeichnet hierbei einen kritischen Abschnitt? Wie werden die kritschen Abschnitte in den beiden nachfolgenden Beispielen geschützt? public class TicketBooking implements Runnable { protected static int globalticketcount = 10; protected int ticketstobuy ; public TicketBooking ( int numticketstobuy ) { ticketstobuy = numticketstobuy ; protected static synchronized boolean buytickets ( int numtickets ) { if ( globalticketcount >= numtickets ) { globalticketcount -= numtickets ; return true ; return false ; if (! buytickets ( ticketstobuy ) ) System. out. println (" Sorry, not enough tickets available!"); Thread t1 = new Thread ( new TicketBooking (4) ); Thread t2 = new Thread ( new TicketBooking (3) ); t1. start (); t2. start (); class TicketBooking2 implements Runnable { protected static Integer globalticketcount = 10; protected int ticketstobuy ; public TicketBooking2 ( int numticketstobuy ) { ticketstobuy = numticketstobuy ; synchronized ( globalticketcount ) { if ( globalticketcount >= ticketstobuy ) { globalticketcount -= ticketstobuy ; 4

5 else { System. out. println (" Sorry, not enough tickets available!"); Thread t1 = new Thread ( new TicketBooking2 (4) ); Thread t2 = new Thread ( new TicketBooking2 (3) ); t1. start (); t2. start (); 9.4 (Ü) Kekse In dieser Aufgabe sollen Sie ein einfaches Producer-Consumer-Szenario in einem NetBeans-Projekt namens Cookies realisieren. Nehmen Sie dazu an, dass eine Grossmutter immer dann einen Keks bäckt, sofern sie weniger als 30 Kekse im Haus hat. Sobald ein Keks fertig ist, legt sie diesen auf einen Stapel. Ihre vielen Enkel konkurrieren um diesen Stapel, indem sie pausenlos jeweils einen Keks vom Stapel nehmen, sofern letzterer nicht leer ist, und diesen essen. (a) Programmieren Sie eine Klasse Cookie, die eine Methode void eat() bereitstellt. Diese Methode soll den Text "Om nom nom" auf der Konsole ausgeben. (b) Programmieren Sie eine Klasse Granny, die eine Referenz auf einen generischen Stapel von Cookies speichert, die sie als einziges Konstruktorargument übergeben bekommt. Die Klasse Granny soll von Thread erben. Überschreiben Sie die run-methode von Thread und implementieren Sie eine Endlosschleife, in der laufend neue Kekse produziert und auf dem Stapel abgelegt werden. (c) Programmieren Sie eine Klasse Grandchild, die eine Referenz auf einen generischen Stapel von Cookies speichert, die sie als einziges Konstruktorargument übergeben bekommt. Die Klasse Grandchild soll von Thread erben. Überschreiben Sie die run-methode von Thread und implementieren Sie eine Endlosschleife, in der laufend ein Keks cookie vom Stapel genommen und dann durch Aufruf von cookie.eat() gegessen wird, sofern der Stapel nicht leer ist. (d) Programmieren Sie nun eine main-methode, in der sie zunächst einen leeren Keksstapel und danach einen Grossmutter- sowie fünf Kinderthreads anlegen. Starten Sie anschliessend alle Threads. Einer oder mehrere Kind-Threads werden recht schnell mit einer EmptyStackException abstürzen. Warum? (e) Schreiben Sie das Programm um, so dass endlos Plätzchen produziert und konsumiert werden, ohne dass ein Thread abstürzt. 5

6 9.5 (Ü) Semaphor Semaphoren sind Datenstrukturen, die dem Schutz gemeinsam genutzter Ressourcen dienen. Neben einem internen Zähler, der die Anzahl noch verfügbarer Ressourcen angibt, stellen Sie zwei Methoden bereit, die jeweils dazu dienen, eine weitere Ressource exklusiv zu belegen oder eine bereits belegte Ressource wieder freizugeben. Dabei ist es besonders wichtig, dass diese Methoden atomar sind, d.h. dass sie nicht unterbrochen werden können. In diesem Zusammenhang haben Sie in Java bereits das Schlüsselwort synchronized kennengelernt, das alle anderen, ebenfalls mit Hilfe von synchronized gekennzeichneten Bereiche eines Objekts exklusiv reserviert. Während synchronized implizit nur eine einzelne Ressource (nämlich das entsprechende Objekt) verwaltet, ist es mit Hilfe eines Semaphors möglich, beliebig viele Ressourcen ohne besonderen Aufwand zu kontrollieren. Ein weiterer Vorteil ist die Vermeidung von Busy Waiting und mithin Verschwendung von Rechenzeit, indem anfragende Threads im Falle dessen, dass gerade keine Ressource mehr verfügbar ist, automatisch solange schlafengelegt werden, bis wieder Ressourcen freigeworden sind. (a) Erweitern Sie das gegebene NetBeans-Projekt Semaphore um eine Klasse Semaphore, die in einer ganzzahligen Variable die Anzahl noch verfügbarer Ressourcen verwaltet. Diese Variable darf nach aussen und auch für womögliche Unterklassen nicht sichtbar sein. Die Anzahl der anfänglich verfügbaren Ressourcen soll mit Hilfe des Konstruktors initialisiert werden können. (b) Implementieren Sie eine Objektmethode p(), die die Anzahl verfügbarer Ressourcen um eins dekrementiert und dann zum Aufrufer zurückkehrt, sofern noch mindestens eine Ressource verfügbar war. Für den Fall, dass keine Ressource mehr zur Verfügung stand, soll die Methode mit Hilfe von wait() solange warten, bis wieder eine Ressource frei wird und erst dann zum Aufrufer zurückkehren. Schützen Sie kritische Bereiche mit synchronized und bedenken Sie, dass Sie beim Aufruf von wait() Ihre exklusive Reservierung (den Monitor) solange aufgeben, bis Sie durch ein entsprechendes notify() aus dem Wartezustand wieder aufgeweckt werden. (c) Implementieren Sie eine Objektmethode v(), die eine Ressource freigibt, indem Sie die Anzahl verfügbarer Ressourcen um eins inkrementiert. Falls ausserdem andere Threads darauf warten, dass eine Ressource frei wird, benachrichtigen Sie entsprechend einen davon mit Hilfe von notify(). Überlegen Sie sich dazu, wie Sie erkennen können, ob bereits mindestens ein anderer Thread auf eine Ressource wartet. Testen Sie Ihre Implementierung durch die gegebene main-methode in der Klasse Producer. 6