Netzwerkprogrammierung & Threads - bioinf.at · Praktikum aus Softwareentwicklung 2 Netzwerkprogrammierung & Threads •Netzwerkprogrammierung –URL, URLConnection, UDP, TCP •Threads

Praktikum aus Softwareentwicklung 2

Netzwerkprogrammierung & Threads


1Java Praktikum – SS 2008 – [email protected]



Netzwerkprogrammierung& Threads

• Netzwerkprogrammierung

–URL, URLConnection, UDP, TCP

• Threads


• Threads

–Parallele Programme, Synchronisation, …


Host ComputerHost Computer

NetzwerkprogrammierungGrundlagen (1/2)

• Kommunikation zwischen verteilten Programmen


Java Virtuelle Maschine


Netzwerk


JVM, Web Server, Datenbank, Ftp..

Netzwerk-Betriebssystem Netzwerk-Betriebssystem


NetzwerkprogrammierungGrundlagen (2/2)

• ISO OSI, IP und Java - http://www.ethereal.com/

Application

OSI 7 Schichten Internet

URL etc.

java.net


Application

Presentation

Session

Transport

Network

Data Link

Physical

http, ftp, telnet, ...

TCP, UDP

Internet Protocol

Ethernet, Token Ring, FDDI, ..

URL etc.

Streams

Socket…

InetAddress


NetzwerkprogrammierungHTTP und URLs

• Hypertext Transfer Protocol (HTTP/1.1)• Uniform Resource Locator

protocol :// [user@] host [:port] /filepath [ref]

– RFC2396… http://www.rfc-editor.org/


– RFC2396… http://www.rfc-editor.org/ http://www.w3.org/Addressing/URL/url-spec.html

• Beispiele:– http://www.somewhere.com:80/remoteSurvey.html

– https://secure.tiscover.com:443

– ftp://www.nowhere.net/

– file://D:/tmp/bsp.html

– mailto://[email protected]


NetzwerkprogrammierungVerwendung von URLs

• Ein Objekt der Klasse java.net.URL repräsentiert eine Ressource im Internettry {

URL u = new URL("http://java.sun.com/index.html");


} catch(MalformedURLException e) { … }

// URL(String protocol, String host, int port, String file)

• Parsen:u.getProtocol();

u.getHost(); // ... (File, Port, Ref)

• Direktes Lesen von einer URL:InputStream in = u.openStream();


NetzwerkprogrammierungURLConnection

• Verbindung wird durch ein URLConnection Objekt repräsentiert und bei dessen Instanziierung aufgebaut. Generell ist das Erzeugen einer Connection zu einem Url ein mehrstufiger Prozess.URLConnection uc = u.openConnection();u.connect();


u.connect();

• Datenaustausch erfolgt über Streams der URLConnectionInputStream ui = uc.getInputStream();OutputStream uo = uc.getOutputStream();

• HttpURLConnectionHttpURLConnection http_uc = (HttpURLConnection)uc;uc.getRequestMethod();uc.getResponseMessage();


NetzwerkprogrammierungBeispiel: "mailto:"

import java.io.*;

import java.net.*;

...

System.setProperty("mail.host", „smtp.tiscover.com");


System.setProperty("mail.host", „smtp.tiscover.com");

URL u = new URL("mailto:[email protected]");

URLConnection conn = u.openConnection();

PrintWriter out = new PrintWriter(

new OutputStreamWriter(conn.getOutputStream()));

out.println("Subject: Test");

out.println();

out.println("Hello World!");

out.close();

...


NetzwerkprogrammierungTCP/IP, UDP

• Internet Protocol (IP)– Routing der IP-Pakete (versehen mit Empfänger, Sender)

• Transport Control Protocol (TCP)– Verbindung über gemeinsamen Kommunikationskanal– Stückelt Nachricht in mehrere durchnummerierte Pakete


– Stückelt Nachricht in mehrere durchnummerierte Pakete– Überprüft ob Paket Ziel erreicht hat, ansonsten Wiederholung– Empfänger setzt Pakete in richtiger Reihenfolge wieder zusammen

• Uniform Datagram Protocol (UDP)– Keine ständige Verbindung - zustandslos– Jedes Paket wird einzeln gesendet– Paket kann verloren gehen, keine Kontrolle– Multicast ist möglich


NetzwerkprogrammierungSockets

• Sockets sind die Schnittstelle zwischen Anwendung und Netzwerkverbindung

• Host:Port zur Identifizierung der Anwendungen


• Die "Server"-Anwendung wartet auf einem vereinbarten Port auf Verbindungsaufnahmen durch Client-Anwendungen

Host 1169.254.235.246

809951Client Http-

Server

UDP: Pakete

TCP: Stream

Host 2169.254.235.247


NetzwerkprogrammierungUDP – paketorientiert

• Datenaustausch basiert auf Paketen (Datagramme)• DatagramPacket repräsentiert Datenpaket

– Paket zum Senden:DatagramPacket(byte[] buf, int length,


DatagramPacket(byte[] buf, int length,

<Host>, <Port>)

– Paket zum Empfangen:DatagramPacket(byte[] b, int len)

• DatagramSocket zum Senden und Empfangenpublic void send(DatagramPacket d);

public void receive(DatagramPacket d);


NetzwerkprogrammierungUDP – Senden/Empfangen

• InitialisierungDatagramSocket socket = new DatagramSocket(9998);

• Request schickenInetAddress address =


InetAddress address =

InetAddress.getByName("host");

DatagramPacket packet =

new DatagramPacket(buf, buf.length, address, 8889);

socket.send(packet);

• Response empfangenpacket = new DatagramPacket(buf, buf.length);

socket.receive(packet);

String received = new String(packet.getData());


NetzwerkprogrammierungTCP – verbindungsorientiert

• Kommunikation erfolgt bidirektional über Sockets• Socket := (Host, Portnummer)• Implementierung des Datenaustausches mit Streams• Client stellt Verbindung her durch Instanziierung


• Client stellt Verbindung her durch Instanziierung eines Socket Objektes

• Server ist implementiert durch ServerSocket undwartet auf einer bestimmten Portnummer auf Anfragen:

public Socket accept();

• Verbindungsabbruch durch Schließen des Sockets


NetzwerkprogrammierungVerbindungsaufbau

• ClientSocket s = new Socket(<Host>,<Port>);

InputStream si = s.getInputStream();

OutputStream so = s.getOutputStream();


OutputStream so = s.getOutputStream();

• Server (gestartet auf <Host>)ServerSocket ss = new ServerSocket(<Port>);

Socket s = ss.accept(); // blockierend

InputStream from_so = s.getInputStream();

OutputStream to_si = s.getOutputStream();

• Das Socket Objekt repräsentiert die Verbindung


NetzwerkprogrammierungDatenaustausch

• Lesen vom InputStream, schreiben auf den OutputStream

• Protokoll muss vereinbart werden

– Kodierung der Daten

– Koordination der Aktivitäten (Kontrollfluss)


– Koordination der Aktivitäten (Kontrollfluss)

• Beispiel: Simple Mail Transfer Protocol (RFC-821)

– Zeilenweiser Austausch von Kommandos und Statusantwort

– Client sendet Kommando an den SMTP-Server(z.B. "MAIL FROM:<[email protected]>\r\n")

– Server antwortet mit Status-Code(z.B. "250 OK\r\n")


Netzwerkprogrammierung& Threads

• Netzwerkprogrammierung

–URL, URLConnection, UDP, TCP

• Threads


• Threads

–Parallele Programme, Synchronisation, …


ThreadsEigenschaften

• "Heavy-weight" Prozess– Adressraum– Ausführungszustand – Programmzähler, Ausführungs-Stack– eventuell mehrere Threads


– eventuell mehrere Threads

• "Light-weight" Prozess (Thread)– teilt sich den Adressraum mit seinem Parent und anderen Threads– jeder Thread ist ein eigener, sequentieller Kontrollfluss mit einem

eigenen Programmzähler, Ausführungs-Stack und Zustand– User-Thread– Daemon-Thread: terminieren automatisch, wenn der letzte

nicht-Daemon Thread beendet wird

• Paralleler Ablauf des Parent-Prozesses und aller Threads


ThreadsImplementierung von Threads

• Ableiten von der Klasse java.lang.Thread und Überschreiben der Methode run

• Implementierung des Interfaces Runnable und Übergabe des Objekts an ein Thread Objekt im


• Implementierung des Interfaces Runnable und Übergabe des Objekts an ein Thread Objekt im Konstruktor

class Clock implements Runnable {public void run() { ... }

}…Clock clk = new Clock();Thread clkThread = new Thread(clk).start();


ThreadsBeispiel: SimpleThread

Threadvoid run()

void start()

Runnable Leer-Implement

ierung VM erzeugt OS-Thread und ruft run() auf


void start()

SimpleThreadpublic class ThreeThreadsTest {

public static void main (String[]

args) {

new SimpleThread("Jamaica").start();

new SimpleThread("Fiji").start();

new SimpleThread(„Bora").start();

}

}

void run()

Haupt-programm von SimpleThread

run() auf


ThreadsLebenszyklus

Alive

yieldwait

sleep


Created

new

start[sleeptime is

over]

interrupt

notify[All]

sleep

Running Suspended

Stopped


ThreadsSimpleThread Sequenzdiagramm

ThreeThreadsTest:Class

jamaica:SimpleThread

mainnew


fiji:SimpleThread

startrun

new

startrun


ThreadsThread, Runnable und Object

Thread

Thread (name: String)

Object<<interface>>

Runnable

run()

<<realizes>>notify ()

notifyAll ()

wait ()


Thread (name: String)

Thread (r: Runnable)

start ()

run ()

sleep (millis:long)

yield ()

interrupt ()

isInterrupted ()

join ()

isDaemon ()

setDaemon ()

...

wait ()

...


ThreadsBeispiel: Time Server

public class TimeServer {

public static void main (String args[])

throws IOException {

ServerSocket server = new ServerSocket(1234);

while (true) {


while (true) {

System.out.println("Waiting for client...");

Socket client = server.accept();

System.out.println("Client from" +

client.getInetAddress() + "connected.");

TimeHandler handler = new TimeHandler(client);

new Thread(handler).start();

}

}

}


ThreadsBeispiel: Time Handler

public class TimeHandler implements Runnable {private Socket client;public TimeHandler(Socket _client) { client = _client; }public void run () {try {

DataOutputStream out = new DataOutputStream(


DataOutputStream out = new DataOutputStream(new BufferedOutputStream(client.getOutputStream()));

Date date = new Date();System.out.println(date.toString());out.writeUTF(date.toString());out.flush();client.close();

} catch (IOException e) { System.err.println(e); }}

}


ThreadsPrioritäten

• Jeder Thread hat bestimmte Prioritätpublic final static int MAX_PRIORITY = 10;

public final static int NORM_PRIORITY = 5;

public final static int MIN_PRIORITY = 1;

• Priorität kann selbst definiert werden:


• Priorität kann selbst definiert werden:public final void setPriority(int np);

public final int getPriority();

• Thread mit höchster Priorität läuft bis zum Thread-Ende

• Scheduling nur für Threads mit gleicher Priorität


ThreadsSynchronisation (1/2)

• Schlüsselwörter– Variablen: volatile– Codeblöcke und Methoden: synchronizedBlöcke können auch verschachtelt sein

• Jedes Objekt hat einen Monitor (realisiert Lock)


• Jedes Objekt hat einen Monitor (realisiert Lock) – Eintritt in einen synchronized Block des Objekts nur möglich, wenn Zählerstand des Monitors auf 0, bei Eintritt wird Zählerstand erhöht.

– Nicht-synchronized Methoden können immer ausgeführt werden.

– synchronized wird nicht vererbt

Monitor

int countThreadThread

waiter

holder

*

0..1

Object


ThreadsSynchronisation (2/2)

• <Object>.wait()

– ein Thread, der einen Lock auf <Object> hat, wird unterbrochen und kommt in eine Warteschlange

– Monitor wird freigegeben (Zähler auf 0 gesetzt)


– Monitor wird freigegeben (Zähler auf 0 gesetzt)

• <Object>.notify() oder notifyAll()– Ein Thread H (holder) gibt Zustandsänderung bekannt– Ein Thread W (waiter) kommt aus der Warteschlange und

blockt, bis H Monitor freigibt durch:• Beenden, bzw. Verlassen des synchronized Blocks• Geht selbst in Warteposition mit wait()

– Wenn W Monitor erhält, wird er aktiviert


ThreadsProducer / Consumer Beispiel (1/2)

get()

ProducerThread

ConsumerThread

Data


• Consumer muss mit dem Lesen warten bis aktuelle Daten vorhanden sind

• Producer muss mit dem Schreiben warten, bis Consumer die aktuellen Daten abgeholt hat

put() get()DataObject


ThreadsProducer / Consumer Beispiel (2/2)

Producer

run ()

Consumer

run ()

Dataval : int

newValue : boolean

get (): int

put (i:int)

11 11

Wartet bis Daten von C.

gelesen

Wartet bis Daten von P.

geliefert


class Consumer extends Thread {

Data dat;

Consumer(Data dat) {

this.dat = dat;

}

public void run() {

while (1==1) {

System.out.println(dat.get());

...

}

}

}

class Producer extends Thread {

Data dat;

Producer(Data dat) {

this.dat = dat;

}

public void run() {

while (1==1) {

dat.put(i); ...

}

}

}

gelesen geliefert


ThreadsImplementierungsdetails (1/2)

• Schreiben auf Data

public synchronized void put(int i) {

while (newValue) {


while (newValue) {

try {

wait();

} catch(InterruptedException e) {}

}

val = i;

newValue = true;

notifyAll();

}


ThreadsImplementierungsdetails (2/2)

• Lesen von Data

public synchronized int get() {

while (!newValue) {

try {


try {

wait();

} catch(InterruptedException e) {}

}

newValue = false;

notifyAll();

return val;

}


ThreadsGruppen

• Gruppierung von Threads• Gemeinsame Eigenschaften, gemeinsame Manipulation

• Jeder Thread gehört zu einer Thread Gruppe (Zuordnung bei Instanziierung)


• Jeder Thread gehört zu einer Thread Gruppe (Zuordnung bei Instanziierung)public Thread(ThreadGroup group,String name)public final ThreadGroup getThreadGroup()

• Klasse ThreadGrouppublic ThreadGroup(String name)public ThreadGroup(ThreadGroup parent,String name)public static int enumerate(Thread[] tarray)public void destroy()

• Thread Gruppen können geschachtelt sein (Baum) public ThreadGroup getParent()


Ende der 3. Übung


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