Distinguished Lectures Series im SS04 And now... YOU ARE HERE

30.03.2004
Distinguished Lectures Series im SS04
And now...
now...
• MDA-gestütztes Architekturmanagement
im Volkswagen-Konzern: Ein Erfahrungsbericht
• Dr. Frank Derichsweiler, Architekturmanagement, AUDI AG
„And now for something completely different.“
• Repository für VW-konzernweites Architekturmanagement
• modellbasiert über domänenspezifische MDA-Profile konfigurierbar
• erstellt mit MDA als Pilot für modellbasierte Systementwicklung
• Dienstag, 06.04.2004, 10:15 Uhr, Klostergasse 3 (2. OG)
• Details zu diesem und weiteren Vorträgen:
• www.lpz-ebusiness.de
Java-Einführungskurs
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Java-Einführungskurs
YOU ARE HERE ™
Exkurs: Threads
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• Bislang lief in unseren Programm immer nur ein
Programmteil, nicht mehrere parallel zur gleichen Zeit.
Einführung
Objektorientierte Modellierung
Java-Sprachkonstrukte
Java-Klassenbibliothek
Zeichenketten
Dateien und Streams
Datenstrukturen
Networking
• übliche Situation bei Netzwerkanwendungen jedoch:
• viele Clients (z.B. Web-Browser) greifen nahezu gleichzeitig auf
einen Server (z.B. www.lpz-ebusiness.de) zu
• bei sequentieller Abfertigung aller Anfragen durch den Server
wäre die Wartezeit für einzelne Clients zu lang
¾ Server muss mehrere Anfragen "gleichzeitig" beantworten können
™ Exkurs: Threads
• Netzwerkadressen und -verbindungen
• Client/Server-Programmierung
• Realisierung mit Threads („Fäden“)
• Grafische Benutzungsoberflächen
• Extensible Markup Language
• Threads sind Programmteile, die innerhalb des Programms parallel
ausgeführt werden.
Java-Einführungskurs
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Java-Einführungskurs
SingleSingle- vs. MultiMulti-Threading
Verwendung der Oberklasse Thread
• Bisher: Single-Threaded Execution
• in Java: Darstellung durch Oberklasse Thread
Methode b
t
• eigene Threads müssen Unterklassen von Thread sein
• müssen dabei die Methode run() überschreiben dort steht der Teil, der parallel ausgeführt werden soll
• start() wird nicht überschrieben
• ein Thread wird über den Aufruf der start()-Methode angestoßen
(nicht über direkten Aufruf von run() !)
• nach dem start()-Aufruf kehrt der Kontrollfluss unmittelbar in den
aufrufenden Programmteil zurück, während der Thread parallel läuft
• mehrfaches Aufrufen von start() führt zu mehreren parallelen
Ausführungen von run()
• Neu: Multi-Threading
Methode c
Methode c
Methode a
Methode b
t
Java-Einführungskurs
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public class Thread implements Runnable {
public void run() {...}; // überschreiben, nicht aufruf.
public void start() {...}; //aufrufen,nicht überschreib.
...
}
Methode c
Methode a
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Lehrstuhl für Angewandte Telematik/e-Business
Java-Einführungskurs
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Beispiel: ThreadThread-Programmierung
YOU ARE HERE ™
• Implementierung des als Thread auszuführenden Codes:
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class PrimeThread extends Thread {
long minPrime;
PrimeThread(long minPrime) {
this.minPrime = minPrime;
}
public void run() {
... // auf minPrime folgende Primzahl berechnen
}
• Exkurs: Threads
™ Netzwerkadressen und -verbindungen
• Client/Server-Programmierung
}
• Instanziierung und Aufruf des Threads:
PrimeThread p = new PrimeThread(143);
p.start();
... // Programm fährt direkt fort, während p.run() läuft
Java-Einführungskurs
Einführung
Objektorientierte Modellierung
Java-Sprachkonstrukte
Java-Klassenbibliothek
Zeichenketten
Dateien und Streams
Datenstrukturen
Networking
• Grafische Benutzungsoberflächen
• Extensible Markup Language
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Paket java.
java.net
Java-Einführungskurs
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Begriffe
• Ein verteiltes System ist eine Ansammlung von locker
gekoppelten Prozessoren, die über ein Netzwerk
verbunden sind.
• Man unterscheidet zwischen lokalen und entfernten (local
und remote) Ressourcen.
• Auf unterer Ebene tauschen die Systeme Nachrichten
(messages) aus.
• Networking ist eine Stärke von Java.
• Dabei sind die Prinzipien die selben wie bei
Dateien und Streams.
Java-Einführungskurs
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Java-Einführungskurs
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Identifikation von Rechnern
Domain Name System
• Problem:
Rechner müssen eindeutig gekennzeichnet werden!
• Lösung im Internet Protocol (IP):
Domain Name System (DNS) und „dotted quad“
Netzwerk
Netzwerk
Internet
Internet
123.255.28.120
123.255.29.122
ebus.informatik.uni-leipzig.de
Java-Einführungskurs
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Lehrstuhl für Angewandte Telematik/e-Business
Java-Einführungskurs
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NetzwerkNetzwerk-Adressierung in Java
Verwendung von InetAddress
• DNS-Format (ebus.informatik.uni-leipzig.de)
besteht aus Rechnername (ebus) und Domainname
(informatik.uni-leipzig.de)
• Beispiel für die Verwendung von InetAddress:
import java.net.*;
public class WhoAmI {
public static void main(String[] args) throws Exception {
if (args.length != 1) {
System.err.println("Usage: WhoAmI MachineName");
System.exit(1);
}
InetAddress a = InetAddress.getByName(args[0]);
System.out.println(a);
}
}
• intern wird auch beim DNS-Format eine 32-bit-Zahl
(entspricht dem dotted quad) gespeichert
• Adresse wird von java.net.InetAddress gekapselt
• InetAddress.getByName() bestimmt Adresse eines Rechners
Java-Einführungskurs
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Java-Einführungskurs
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Local LoopbackLoopback-Adresse
Clients und Server
• Hinweis: Beispielprogramm funktioniert nur, wenn der
Rechner mit dem Internet verbunden ist, da die
Namensauflösung den DNS-Server des Netzwerks nutzt
• Beim Networking nehmen beteiligte Rechner typischerweise
zwei Rollen ein: Client und Server
• Server stellen Dienste bereit
• zum Testen ohne Netzwerkverbindung kann per „local
loopback“ der eigene Rechner adressiert werden
• Clients rufen Dienste ab
• Name localhost oder IP-Adressse 127.0.0.1
Clients
• InetAddress addr = InetAddress.getByName(null);
• InetAddress addr = InetAddress.getByName("localhost");
• InetAddress addr = InetAddress.getByName(127.0.0.1);
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Server
• Clients und Server sind Programme
• mehrere Clients und/oder Server können auf dem gleichen Rechner
(dem gleichen Gerät, "Host" genannt) laufen
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Java-Einführungskurs
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Ports
Sockets
• IP-Adressen identifizieren Rechner
• mehrere Clients können zur selben Zeit mit einem Port
eines Servers verbunden sein
• Verbindungen werden über Sockets identifiziert
• auf einem Rechner (Host) können aber mehrere Server laufen
(z.B. für Mail, Web, Telnet etc.)
¾ IP-Adresse reicht zur Adressierung eines Servers nicht aus
Client
• zweites Adressierungsprinzip: jeder Server wird über einen
bestimmten Port angesprochen
Host-Rechner
Stream
• Port wird durch Nummer gekennzeichnet, z.B. 80 für Webserver
Server
Port
Client
Stream
• Portnummer kann auch an die IP-Adresse gehängt werden:
139.18.40.1:80
Socket
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Java-Einführungskurs
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Verwendung von ClientClient-Sockets
Funktion eines einfachen Clients
• Kernfunktionen eines Clients:
• Szenario: Auf Port 5155 unseres Rechners läuft ein Server,
der bei Verbindungsaufbau eine Textzeile mit der aktuellen
Uhrzeit überträgt.
• Was muss ein Client tun, um auf diesen Dienst zuzugreifen?
• Verbindung zu einem bestimmten Port auf einem
bestimmten Host aufbauen
Socket socket = new Socket(host, port);
• Socket enthält individuelle Verbindung des Clients zum Host
• Verbindung zu Port 5155 auf localhost aufbauen
• Streams zum Datentransfer über die Verbindung "besorgen"
InputStream in = socket.getInputStream();
OutputStream out = socket.getOutputStream();
• wir erhalten ein Socket für diese Verbindung
• Stream zum Lesen von Daten aus dem Socket besorgen
• wir erhalten einen InputStream, der mit dem Socket verbunden ist
• einen BufferedReader an den InputStream hängen
• damit können wir nicht nur Bytes, sondern ganze Textzeilen lesen
• Datenaustausch über die Streams nun wie bei Dateien!
• eine Zeile aus dem BufferedReader lesen
• Zeile ausgeben - fertig!
Java-Einführungskurs
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Beispiel: TimeTime-ofof-DayDay-Client
generischer Teil
Java-Einführungskurs
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Funktion eines einfachen Servers
• Szenario: Auf Port 5155 unseres Rechners läuft ein Server,
der bei Verbindungsaufbau eine Textzeile mit der aktuellen
Uhrzeit überträgt.
• Was muss der Server tun, um diesen Dienst anzubieten?
• auf Port 5155 ein Socket für Verbindungsanfragen öffnen
public class Client {
public void receiveTime() throws Exception {
Socket socket = new Socket("localhost", 5155);
InputStream in = socket.getInputStream();
BufferedReader br = new BufferedReader(
new InputStreamReader(in));
• wir erhalten einmalig ein sog. Server-Socket, das immer offen bleibt
• am Server-Socket nach Verbindungsanfragen lauschen
System.out.println(br.readLine());
socket.close();
• für jede Verbindung erhalten wir ein individuelles Verbindungssocket
}
• Stream zum Senden von Daten an das V.Socket besorgen
public static void main(String args[]) throws Exception
{
Client client = new Client();
client.receiveTime();
"Don't try this at home"
}
schlechter Stil, besser
• einen PrintWriter an den OutputStream hängen
• wir erhalten einen OutputStream, der mit dem VSocket verbunden ist
}
• damit können wir nicht nur Bytes, sondern auch Textzeilen schreiben
• eine Zeile in den PrintWriter schreiben
• die das Datum enthält - fertig!
vernünftig behandeln!
Java-Einführungskurs
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Verwendung von ServerServer-Sockets
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Beispiel: TimeTime-ofof-DayDay-Server
• Kernfunktionen eines Servers:
• einmal bei der Initialisierung:
• Server-Socket zum Lauschen an einem Port öffnen
public class Server {
private ServerSocket listener;
public Server() throws Exception {
listener = new ServerSocket(5155); // Portnummer
}
ServerSocket listener = new ServerSocket(port);
• dieses Socket ist erster Kontaktpunkt für eingehende Verbindungen
public void serve() throws Exception {
Socket socket; OutputStream out; PrintWriter pw;
while (true) { // Endlosschleife
socket = listener.accept();
out = socket.getOutputStream();
pw = new PrintWriter(out, true); // true: auto-flush
pw.println(new java.util.Date().toString());
socket.close();
}
}
• mehrfach während des Betriebs:
• für jede eingehende Verbindung individuelles Socket öffnen
Socket socket = listener.accept();
• dieses Socket enthält indiv. Verbindung des Hosts zu diesem Client
• Streams zum Datentransfer über die Verbindung "besorgen"
InputStream in = socket.getInputStream();
OutputStream out = socket.getOutputStream();
public static void main(String args[]) throws Exception {
Server server = new Server();
server.serve();
}
• Datenaustausch über die Streams nun wie bei Dateien!
Java-Einführungskurs
generischer Teil
Java-Einführungskurs
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}
Java-Einführungskurs
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Motivation: MultiMulti-Threading
Funktion eines multimulti-threaded Servers
• beim Time-of-Day-Server ist jede Anfrage schnell bearbeitet
• Aufteilung des Programms auf zwei Klassen:
• nur das aktuelle Datum ausgeben und Verbindung sofort schließen
• Server lauscht, nimmt Anfragen an und startet Threads
• falls die Bearbeitung von Anfragen länger dauern würde
• könnte es passieren, dass Anfragen von anderen Clients bereits
eingehen, während der Server noch die erste Anfrage bearbeitet
• die anderen Clients müssten in diesem Fall warten, bis alle
vorherigen Anfragen abgearbeitet wurden und sie an der Reihe sind
• bei hoher Anfragefrequenz/langer Bearbeitungszeit nicht akzeptabel
• Programmfortsetzung unmittelbar mit Lauschen
• Bearbeitung in run()-Methode parallel zu Server/anderen Threads
• run() nimmt aber keine Parameter an und gibt nichts (void) zurück
• schnellere Antwortzeiten, bessere Auslastung der Systemressourcen
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Beispiel: Threaded TimeTime-ofof-DayDay-Server
¾ benötigte Werte und Kanäle für Datenrückgabe müssen schon bei
der Instanziierung des Handlers im Konstruktor übergeben werden!
Java-Einführungskurs
public class Handler extends Thread {
private Socket socket;
public Handler(Socket socket) {
this.socket = socket;
}
public void serve() throws Exception {
Socket socket;
while (true) {
socket = listener.accept();
Handler handler = new Handler(socket);
handler.start(); // sorgt für Aufruf von handler.run()
}
}
public void run() {
OutputStream out; PrintWriter pw;
try {
out = socket.getOutputStream();
pw = new PrintWriter(out, true);
pw.println(new java.util.Date().toString());
socket.close();
}
catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String args[]) throws Exception {
Server server = new Server();
server.serve();
}
}
}
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Java-Einführungskurs
Bemerkungen zur Funktionsweise
Start von Server und Client
• Server besteht aus zwei Klassen: Handler und Server
• Server enthält die main()-Methode und erzeugt im
Konstruktur ein ServerSocket
• Start des Servers mittels java Server
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• (Abbruch mit STRG+C)
• in einer Endlosschleife wartet der Server durch Lauschen
am ServerSocket auf das Eingehen einer Verbindung
• Start des Clients mittels java Client
•
•
•
•
in diesem Fall erzeugt er jedes Mal eine Handler-Instanz
danach ruft er die Methode start() dieser Instanz auf
Handler ist Thread-Klasse
ihre run()-Methode wird einmal durchlaufen und erzeugt
die Ausgabe; danach terminiert der Thread
• parallel dazu läuft der Server weiter und erzeugt und startet
u.U. bereits weitere Threads
Java-Einführungskurs
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Beispiel: Threaded TimeTime-ofof-DayDay-Server
public class Server {
private ServerSocket listener;
public Server() throws Exception {
listener = new ServerSocket(5155);
}
Java-Einführungskurs
auf Server-Socket lauschen
Anfragen annehmen und Verbindungs-Socket besorgen
für jede neue Anfrage einen Handler-Thread instanziieren
und start()-Methode des Threads aufrufen
• Handler sind Threads, die Anfragen bearbeiten
• Lösung: Server bearbeitet die Anfragen in einzelnen
Threads, die parallel zueinander laufen
Java-Einführungskurs
•
•
•
•
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• oder Abfrage des Servers mit telnet localhost 5155
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Anwendungsbeispiel: ChatChat-System
Probleme bei Parallelausführung
• ein Chat-Server hat Verbindungen
zu mehreren Clients
• jede Eingabe auf einem Client wird
vom Server empfangen und an alle
Clients weitergesandt (Broadcast)
• Aber: Was passiert, wenn ein Client den Chat verlässt,
während gerade die Ausgabeliste abgearbeitet wird?
• Er müsste während der Listen-Abarbeitung aus der Liste gestrichen
werden.
• Das kann zu Problemen führen, wenn gerade während des
Löschvorgangs auf das betreffende Element zugegriffen werden soll
und Referenzen evtl. auf null zeigen.
• um Nachrichten an alle Clients zu schicken, müssen wir auf
dem Server eine Liste der verbundenen Clients verwalten
• dann können wir einfach durch die Liste gehen und
eingehende Nachrichten an alle Clients darin ausgeben
• neu verbundene Clients werden in die Liste eingetragen
• Clients, die den Chat verlassen, werden aus Liste entfernt
Java-Einführungskurs
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• Auch wenn Threads parallel laufen, sollen bestimmte
Operationen u.U. nicht parallel ausgeführt werden
• Hier: Das Streichen des Clients aus der Liste muss eben warten,
bis der Broadcast zu Ende ist.
Java-Einführungskurs
Verhinderung paralleler Ausführung
ServerServer-Klasse ChatServer
• In Java ist es möglich, dafür zu sorgen, dass trotz parallelen
Ablaufs von Threads bestimmte Methoden nicht gleichzeitig
ausgeführt werden.
import java.io.*;
import java.net.*;
import java.util.*;
public class ChatServer {
private static LinkedList clientList = new LinkedList();
private static int id = 0;
• Diese werden durch das Schlüsselwort synchronized
gekennzeichnet.
public static void main(String[] args) throws IOException {
new ChatServer(8190); // Portnummer des Servers
}
• Wird eine synchronized-Methode eines Objekts
aufgerufen, während eine andere synchronized-Methode
noch läuft, muss die neue warten, bis die erste fertig ist.
• (Wer's genau wissen will: Java verwendet pro Objekt ein
Lock, das sich in vielen Fällen wie ein Monitor verhält.)
Java-Einführungskurs
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// Methoden auf folgenden beiden Folien:
public ChatServer(int port) throws IOException {...}
synchronized static void broadcast(
String message, String name) throws IOException {...}
synchronized static void remove(Socket s) {...}
}
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Java-Einführungskurs
ServerServer-Klasse ChatServer
ServerServer-Klasse ChatServer
• Konstruktor und lauschende Endlosschleife
• Nachricht an alle Clients senden
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synchronized static void broadcast(
String message, String name) throws IOException {
Socket socket; PrintWriter pw;
public ChatServer(int port) throws IOException {
ServerSocket listener = new ServerSocket(port);
Socket socket;
while(true) {
socket = listener.accept();
new ChatHandler(socket).start();
clientList.add(socket);
id++;
}
}
Iterator list = clientList.iterator();
while (list.hasNext()) {
socket = (Socket) list.next();
pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream(),true);
pw.println(name + ": " + message);
}
}
• Client aus der Liste streichen
synchronized static void remove(Socket socket) {
clientList.remove(socket);
id--;
}
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30.03.2004
ServerServer-Threadklasse ChatHandler
ServerServer-Threadklasse ChatHandler
• Für jeden verbundenen Client wird ein ChatHandlerThread erzeugt, der Eingaben von ihm entgegennimmt.
• In Endlosschleife Textzeilen vom betreffenden Client lesen
und diese zum Broadcast an den Server übergeben
public void run() {
BufferedReader br; String s;
try {
br = new BufferedReader(
new InputStreamReader(
socket.getInputStream()));
while (true) {
s = br.readLine().trim();
ChatServer.broadcast(s, "User");
}
// toClient.close();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
import java.io.*;
import java.net.*;
public class ChatHandler extends Thread {
private Socket socket;
public ChatHandler(Socket socket) {
this.socket = socket;
}
public void run() {...} // siehe nächste Folie
}
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Java-Einführungskurs
...und der ChatChat-Client?
Hinweise zur Übungsbearbeitung
• Client-Verbindung zunächst mit telnet localhost 8190
• wichtig beim Chatten im Pool:
• Vorschau: grafische Oberfläche ist Thema der nächsten Übungen
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• erst eigene IP-Adresse bestimmen (vgl. Ü7.1)
und diese statt localhost verwenden
• wenn mehrere Chat-Server auf demselben Rechner laufen sollen,
unterschiedliche Ports (>1024) statt 8190 verwenden!
• bei Arbeit auf im Pool: z.B. Portnr. = 8100 + Rechnernummer
• bei Zugriff auf userv1 von außen:
z.B. Portnr. = 8200 + letzte zwei Ziffern der Matrikelnummer
• Rien ne va plus?
• Clients und Server kann man (meist) mit Ctrl-C abbrechen
• Wenn der Client hängt, hilft es auch, den Server abzubrechen
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Java-Einführungskurs
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Zusammenfasssung
• Threads
• parallele ("nebenläufige") Ausführung von Programmteilen
• implementiert in run-Methode von Unterklassen von Thread
• Netzwerkadressen und -verbindungen
• IP-Adressen zur Adressierung von Rechnern (Hosts)
• Ports zur Adressierung von Servern auf einem Host
• Sockets zur Adressierung von indiv. Verbindungen mit einem Server
• Grundprinzip der Client und Server-Programmierung
• Verbindung über Socket aufbauen
• auf Clients: bei Verbindung mit Host/Port ein Socket öffnen
• auf Servern: zunächst Server-Socket öffnen und darauf lauschen;
dann beim Annehmen von Anfragen Verbindungssocket öffnen
• Ein- und Ausgabe-Streams für das Socket besorgen
• Daten wie gewohnt über die Streams übertragen
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