Multithreading
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Multithreading Motivation und Grundlagen Threadzustände und Prioritäten Synchronisation Weiteres Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 1 Multithreading Threads in Java sind quasiparallele Programmabläufe innerhalb einer VM Threads in Java sind ein sehr mächtiges und bequemes Konzept, um nebenläufige Abläufe zu realisieren, wie z.B.: • Applikationslogik und Benutzerinteraktion bei GUI-Anwendungen • interaktive Anwendungen bei denen mehrere Aktivitäten gleichzeitig laufen sollen • Bedienung von mehreren gleichzeitigen Anforderungen an Server • Animationen mit mehreren aktiven Agenten • … Threads in Java laufen in einem gemeinsamen Speicherbereich Threads können/müssen kooperieren, insbesondere bei der Verwendung von gemeinsam benutzten Objekten (Shared Memory) single-threaded multi-threaded Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 2 Klassendiagramm (Auszug) Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 3 Überblick über Klassen : -Objekte repräsentieren einen Thread • definiert Methoden für starten, unterbrechen, … • definiert -Methoden, um - aktuell laufenden Thread zu steuern, z.B. ihn schlafen zu legen - Verwaltung aller aktuell existierenden Threads : • Interface definiert eine Methde auszuführenden Code beinhaltet welche den von einem Thread implementiert kann aber auch mit einem eigenen -Objekt erzeugt werden : • in Klasse ist ein Monitor implementiert, d.h. jedes Objekt in Java kann zur Thread-Synchronisation verwendet werden • wesentlichen Methoden sind und , bzw. : Für das Bilden von Gruppen von Threads : Exception geworfen bei Unterbrechung Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 4 Erzeugen, Starten, Ablauf eines Threads (1) Beispiel: BallThread Variante: Ableiten von Thread wird abgeleitet (z.B. von überschrieben -Objekt wird mit Thread wird mit ausgeführt % # " ( " ")" ( + * " + * ) und erzeugt gestartet und damit &% # "' ( * "' ")" " * , +++ , " Der Thread läuft bis zum Ende der Methode und stirbt dann " ")" $ *" , Die static-Methode !"# erlaubt es, den aktuellen Thread für eine gegebene Zeit „Schlafen zu legen“ Achtung: wirft daher mit werden "' "'" ( "' " "' ")"-*" ".)"-///*" 00 "' +# ( * + 1 * und muss -Anweisung geklammert , , " ' , , ( " * , Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 5 Erzeugen, Starten, Ablauf eines Threads (2) Variante: Eigenes Beispiel: BallThread -Objekt % Die Methode wird in einem eigenen -Objekt implementiert (im Bsp. ( " ")" ( + " + ) -Objekt wird mit erzeugt, wobei das -Objekt als Parameter übergeben wird Thread wird mit des gestartet und damit -Objekts ausgeführt # " &% # "' ( * "' * ")" * " * , +++ , " # # "' +++ ( "' " "' # ( ")"-*" ".)"-///*" 00 "' * + 1 * , , " ' , , +++ , Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 6 Multithreading Motivation und Grundlagen Threadzustände und Prioritäten Synchronisation Weiteres Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 7 Thread-Zustände : wurde gerade erzeugt und noch nicht gestartet 2 !: 3 (: wird gerade ausgeführt : kann ausgeführt werden und wartet auf Zuteilung des Prozessors blockiert: : wurde mit gelegt 4 schlafen 3 : wartet auf Beendigung einer IO-Operation : wurde mit in den wartenden Zustand versetzt ! : Wartet auf die Aufhebung einer Objekt-Sperre : durch vorübergehend blockiert Achtung: ist veraltet und sollte nicht verwendet werden 5 4Methode hat terminiert Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 8 Scheduling und Prioritäten Die lauffähigen Threads müssen sich den Prozessor zur Ausführung teilen; sie konkurrieren um die Zuteilung des Prozessors Java legt keine Zuteilungsstrategie fest; diese ist abhängig vom Laufzeitsystem Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 9 Scheduling und Prioritäten (2) Mit der Methode ( " 6 " kann man einem Thread eine Priorität für die Zuteilung geben Prioritätswerte liegen zwischen 7 896 7 ;96 :")"-/ mit 8 796 :")"/ und :")"1 als Standardwert (siehe Bsp.: (<+(< -+ Beispiel: ( in CoreJava) "= " ' " ")" ( + + + , der Methode Mit ( " * * " 6 ")" * *" * s mit höherer Priorität werden bevorzugt "( " bewegt kann ein Thread seine Kontrolle des Prozessors abgeben und anderen die Chance zur Zuteilung geben. Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 10 Unterbrechung und Terminieren Unterbrechen von Threads durch void d.h., befindet sich der Thread in einem blockierten Zustand, wird eine geworfen und der Thread aktiviert. Mit static-Methode " " wird für den aktuellen Thread der Interrupt-Status abgefragt und rückgesetzt (!) Interrupts sind insbesondere für die außerordentliche Terminierung eines Threads wichtig "( " "' > ' $$" " # ! -/// *" ," "'" $$" " * , , $$" "' $$"% ! " $$" " $$" #" ? " # " " " " "? " ? # , Anmerkung: Dieses Vorgehen kann die gefährliche mehr verwendet werden soll Pratikum SWE 2 -Anweisung ersetzen, die nicht © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 11 Multithreading Motivation und Grundlagen Threadzustände und Prioritäten Synchronisation Weiteres Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 12 Wechselseitiger Ausschluss Greifen mehrere Threads gleichzeitig auf ein Objekt zu, muss wechselseitiger Ausschluss bei nicht-atomaren Operationen realisiert werden Beispiel: Banktransaktionen • In einer Bankapplikation wird zwischen Konten Geld transferiert; Addieren und Subtrahieren sind nicht atomar Pratikum SWE 2 ( ' # " @ @ #A"4)" # A"0)" # " # * * , © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 13 Monitor Zur Realisierung von wechselseitigem Ausschluss ist in der Basisklasse ein Monitor-Konzept realisiert Monitor hat einen Schlüssel (Lock) und verwaltet eine Queue • Thread können Lock anfordern • werden eventuell in der Queue als wartend auf den Lock gespeichert • bei Freiwerden des Locks erhält nächster in Queue den Lock und kann Ausführung fortsetzen damit kann ein beliebiger Code (aber insbesondere eine Methode des Objekts) unter exklusivem Zugriff auf das Objekt ausgeführt werden dies passiert, indem man eine Methode oder einen Block als ? deklariert Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 14 synchronized Methode Wird eine Methode als synchronized deklariert, muss bei Ausführung der Methode der ) erhalten werden Lock des Objekts ( Ist dieser nicht verfügbar, kann die Methode nicht begonnen und es muss auf die Zuteilung des Locks gewartet werden Handelt es sich um eine statische Methode wird auf das Klassenobjekt synchronisiert Methode gelockt auf -Objekt 3"' +++ ? ( @ @ # " #A"4)" # A"0)" # " # "' * * , +++ Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 15 synchronized Block Es kann auch jeder beliebige Block auf ein beliebiges Objekt synchronized deklariert werden Damit kann der Block nur betreten werden, wenn man den Lock des Objekts hat = # " ( "' " * Block gelockt auf Objekt o +++ ( "' "' ? $$"! "' 3 " " 3 " , , , , Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 16 und Soll ein synchronisierter Code nicht fortgesetzt werden, kann er den Lock zurückgeben und den Thread als „wartend auf das Objekt“ einreihen Klasse stellt dazu Methoden zur Verfügung der Thread wird als wartend auf das Objekt blockiert; Lock auf das Objekt wird freigegeben ! # wie , zusätzlich erfolgt nach ein Interrupt # Millisekunden Es wird ein (!) auf das Objekt wartender Thread aufgeweckt Es werden alle auf das Objekt wartenden Threads aufgeweckt Beispiel: Warten bis Konto gefüllt ? ( # " " # ' @ #A"." # * @ #A"4)" # @ A"0)" # * * * , Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 17 Multithreading Motivation und Grundlagen Threadzustände und Prioritäten Synchronisation Weiteres Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 18 join Oft ist es notwendig einen Sohn-Thread zu erzeugen und den Ablauf mit diesem abzustimmen Die Anweisung terminiert ist. erlaubt es, auf einen Thread zu warten, bis dieser Beispiel: " ")" "' "( $C" $$" "' " # "B 3 "( " " "C$ , ,*" + + $$" *" * ? " $$" " " " " # " Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 19 Thread-Gruppen Oft ist es sinnvoll und hilfreich Threads zu Gruppen zusammenzufassen, um diese gemeinsam behandeln zu können • z.B. alle Threads in der Gruppe zu unterbrechen Dazu dient die Klasse von Threads erfolgen kann , mit der eine hierarchische Gruppierung erlaubt: • Unterbrechen aller Threads in der Gruppe • Exceptions, die innerhalb eines enthaltenen Threads auftreten, zu behandeln • Zugriff auf die enthaltenen Threads • Informationen über die enthaltenen Threads abfragen Threads können bei ihrer Erzeugung einer zugeordnet werden Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 20 Ende der Applikation und Daemon-Threads Eine Applikation wird beendet, wenn alle ihre Threads terminiert (tot) sind Eine Ausnahme bilden dabei aber die sogenannten Daemon-Threads; diese werden automatisch beendet, wenn der letzte Nicht-Daemon-Thread einer Applikation terminiert hat Daemon-Threads verwendet man daher für Hilfsdienste Threads können durch Setzen der daemon-Property mit ( " D # zu Daemon-Threads gemacht werden Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 21 Veraltete Methoden stop: • Mit kann man einen Thread „töten“; er wird sofort terminiert • sollte nicht verwendet werden, weil dadurch jede Aktion sofort beendet wird und dadurch inkonsistente Zustände der bearbeiteten Objekte entstehen können • Bsp. bei 3: Es wird zwar von einem Konto noch abgehoben aber auf das andere Konto nicht mehr gebucht suspend / resume: • Mit kann ein Thread vorübergehend blockiert und mit aufgeweckt werden # wieder • dabei gibt er aber Locks von Objekten nicht frei (der Lock kann erst wieder frei gegeben werden, wenn der Thread mit # wieder aufgeweckt wird) • Dadurch können sehr leicht Deadlocks entstehen, die Verwendung von suspend wird nicht empfohlen Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 22 Beispiel: Producer – Consumer (1) • Producer produziert Elemente und schreibt sie in den Puffer • Consumer konsumiert produzierte Elemente aus dem Puffer # " ( + + E * ' ( # B !@A" ! ' E 6 = # " ")" E " ")" 6 " ")" = # * $$" E " F "6 * $$" ? ! "6 * $$" ? ! "= + * $$"B "6 + * $$"B "= # # , , Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 23 Beispiel: Producer – Consumer (2) # ( + +C* 6 " ( "' E " * 6 E + ")" " "' * , ( B "' !" * > "' ? ")"GH "G"0"7 + B "' $$"B + # $$" + + G6 "6 * * #+ " ? " ? ! "G"0" " ? * $$" * # ! " "= # , ' + -//C7 ," + " # * $$" "' * , , , , Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 24 Beispiel: Producer – Consumer (3) = # " "' ( E = # + ")" " * E " "' * , ( "' > "' ' ? $$"B "' + ? + " "6 "."- ""' * $$" " $$"3 # " " " , B + B #+ + # ( / * #+ + G"I # " "G0 B G" ( 5"G0 ! + ? +! / * 0G G * , + -//C7 ," + " # * $$" "' * , , , , Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 25 API Zusammenfassung (1) " " # # " A thread is a thread of execution in a program. The Java Virtual Machine allows an application to have multiple threads of execution running concurrently. ( ( ( Allocates a new Thread object. ! " Allocates a new Thread object with a Runnable object . ! " ! " Allocates a new Thread object with a Runnable object and assigns it to the group. " " ( Tests if this thread is alive. " D # " Tests if this thread is a daemon thread. " " Tests whether this thread has been interrupted. " " E 3 Returns true if and only if the current thread holds the monitor lock on the specified object. " " "# " " " +"D " !" " +"= " " "# " " " " " . " " D # Marks this thread as either a daemon thread or a user thread. " 6 " 6 Changes the priority of this thread. ( " ! # " Causes the currently executing thread to sleep (temporarily cease execution) for the specified number of milliseconds. "( " " Interrupts this thread. " "( " " " Waits for this thread to die. ( " " Causes the currently executing thread object to temporarily pause. Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 4 26 API Zusammenfassung (2) " " The Runnable interface should be implemented by any class whose instances are intended to be executed by a thread. The class must define a method of no arguments called run. ( " " When an object implementing interface Runnable is used to create a thread, starting the thread causes the object's run method to be called in that separately executing thread. " " " Thrown when a thread is waiting, sleeping, or otherwise paused for a long time and another thread interrupts it using the interrupt method in class Thread. Class Object is the root of the class hierarchy. Every class has Object as a superclass. All objects, including arrays, implement the methods of this class. ( " " Causes current thread to wait until another thread invokes the notify() method or the notifyAll() method for this object. ( " ! # " Causes current thread to wait until either another thread invokes the ( " " Wakes up a single thread that is waiting on this object's monitor. ( " " Wakes up all threads that are waiting on this object's monitor. Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 27 API Zusammenfassung (3) " " " A thread group represents a set of threads. In addition, a thread group can also include other thread groups. " ( = " Returns an estimate of the number of active threads in this thread group. " # @A " Copies into the specified array every active thread in this thread group and its subgroups. " # @A " " Copies into the specified array every active thread in this thread group. "! ! 7 6 " Returns the maximum priority of this thread group. ! 6 " Returns the parent of this thread group. ( " " Interrupts all threads in this thread group. ( " D # # " Changes the daemon status of this thread group. ( " 7 6 " Sets the maximum priority of the group. ( " ! " " Called by the Java Virtual Machine when a thread in this thread group stops because of an uncaught exception. Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 28 Literatur Java Tutorial, Multithreading, http://java.sun.com/docs/books/tutorial/essential/threads/index.html Horstmann, Cornell, Core Java 2, Band 2 - Expertenwissen, Markt und Technik, 2002: Kapitel 1 Krüger, Handbuch der Java-Programmierung, 3. Auflage, Addison-Wesley, 2003, http://www.javabuch.de: Kapitel 22 Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 29 Programmbeispiele Erzeugen, Starten, Ablauf von Threads: Core Java 2: (< -+ + ( Scheduling und Prioritäten: Core Java 2: (< -+ + ( + ( Synchronisation: Core Java 2: (< -+B 3 Downloads: Die Beispiele zu Core Java 2 können von http://www.horstmann.com/corejava.html heruntergeladen werden Die Beispiele aus Handbuch der Java-Programmierung können von http://www.javabuch.de heruntergeladen werden Pratikum SWE 2 © M. Löberbauer, T. Kotzmann, H. Prähofer 30
