Prof. Dr. Alois Schütte Advanced System Programming 1 Das concurrent Paket 1 Überblick 2 Lock 3 Condition 4 Queue 5 Executors

Prof. Dr. Alois Schütte Advanced System Programming 1

Das concurrent Paket

1 Überblick2 Lock3 Condition4 Queue5 Executors


Concurrrent Paket: 1 Überblick

Standard-Mittel von Java bezogen auf Nebenläufigkeit sind: Threads mit dem Interface Runnable

Synchronisations-Mechanismen synchronized, wait, notify und notifyAll.

Ab Java 5 sind im Paket java.util.concurrent Klassen für Standard-Muster der parallelen Programmierung enthalten, z.B.:

Locks

Queues

Thread-Pooling

Scheduling

Semaphore

Exchanger

CountDownLatch

CyclicBarrier


Concurrrent Paket: 2 Locks

Lockkonzept Ein Lock ist ein Mittel, um in multithreading Umgebungen den

gemeinsamen Zugriff auf Ressourcen zu koordinieren.

Um eine Ressource nutzen zu können, muss ein Thread den zugehörigen Schlüssel anfordern.

Solange ein Thread den Schlüssel besitzt, kann kein anderer Thread die Ressource verwenden, er muss warten.

Der den Schlüssel besitzende Thread gibt ihn frei, daraufhin kann ein wartender Thread den Schlüssel bekommen und die Ressource verwenden.

Dieses Lockkonzept könnte mit synchronized umgesetzt werden. Dabei hat man aber immer die Blockstruktur als Einschränkung.

java.util.concurrent.locks beinhaltet Interfaces und Klassen für Locks.



Die Klasse TimeUnit wird im Zusammenhang mit Locks verwendet, um eine Zeitdauer in SECONDS, MICROSECONDS, MILLISECONDS oder NANOSECONDS angeben zu können.

Class TimeUnit Beispiel:TimeUnit/MainClass.java

q import static java.util.concurrent.TimeUnit.*;q public class MainClass extends Thread {q // This field is volatile because two different threads may access itq volatile boolean keepRunning = true;q public void run() {q while (keepRunning) {q long now = System.currentTimeMillis();q System.out.printf("%tr%n", now);q try { Thread.sleep(1000); // millisecsq } catch (InterruptedException e) {q return;q }q }q } // run



15. public void pleaseStop() {16. keepRunning = false;17. }

18. public static void main(String[] args) {19. MainClass thread = new MainClass();20. thread.start();21. try { SECONDS.sleep(10); // = MILLISECONDS.sleep(10000)22. } catch (InterruptedException ignore) {23. }24. thread.pleaseStop();25. } // main26. }

as@hal:TimeUnit> java MainClass 10:19:51 AM10:19:52 AM10:19:53 AM10:19:54 AM10:19:55 AM10:19:56 AM10:19:57 AM10:19:58 AM10:19:59 AM10:20:00 AMas@hal:TimeUnit>



Das Interface Lock spezifiziert das Verhalten von Lock-Objekten.public interface Lock {

void lock();

void lockInterruptible() throws InterruptedException;

boolean tryLock();

boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws

InterruptedException

void unlock();

Condition newCondition(); // Erklärung später

}

lock wartet, bis der Objektschlüssel verfügbar ist und belegt ihn dann. unlock gibt das Objekt frei. lockInterruptible funktioniert wie lock, aber es wird eine Ausnahme

geworfen, wenn ein anderer Thread den Thread durch interrupt unterbricht. tryLock liefert false, wenn das Objekt nicht verfügbar ist; ansonsten wird

das Objekt in Besitz genommen und true returniert. tryLock(long, TimeUnit) funktioniert wie tryLock, aber es wird eine

maximale Zeitspanne gewartet, wenn das Objekt nicht verfügbar ist.


Concurrrent Paket: 2.1 ReentrantLock

Die Klasse ReentrantLock implementiert die Schnittstelle Lock.

public class ReentrantLock implements Lock, Serializable {

public ReentrantLock(boolean fair);

public ReentrantLock;

// Methods of Lock void lock();void lockInterruptible() throws InterruptedException;boolean tryLock();boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws

InterruptedExceptionvoid unlock();Condition newCondition();

// additional Methods

public boolean isFair();

public int getHoldCount();

public int getQueueLength();

public boolean isHeldByCurrentThread();

public boolean isLocked();

protected Thread getOwner();

protected Collection<Thread> getQueuedThreda();

}



Der Konstruktor kann die Angabe eine fair-Paramerters haben. Wenn mehere Threads auf den Lock warten, garantiert fair==true, dass der am längsten wartende Thread das Lock-Objekt erhält.

isFair liefert den fair-Parameter des Konstruktors zurück. Ein Lock enthält eine Zähler, der bei jedem lock inkrementiert, bei unlock

dekrementiert wird. Ein Thread kann also öfter lock aufrufen. getHoldCount liefert den Wert des Zählers.

getQueueLength returniert die Anzahl der auf einen Lock wartenden Threads.

isHeldByCurrentThread ist true, wenn der aufrufende Thread den Lock hält. isLocked ist true, wenn irgendein Thread den Lock hält. getOwner(), Collection<Thread> getQueuedThreads liefern den Besitzer

und die wartenden Threads.



Beispiel: Klasse Konto (Account), Geldabholer (Withdrawer als Thread) Zunächst die Realisierung der Klasse Account mit synchronized1. class Account {2. private float balance;3. public Account (float initialBalance) {4. balance = initialBalance;5. } // Account6.

public synchronized float getBalance() {7. return balance;8. } // getBalance9.

public synchronized void withdraw( float amount) {10. if (amount < 0 || balance < amount)11. throw new IllegalArgumentException("withdraw: wrong amount

" + amount);12. try { Thread.sleep(1000); } catch (Exception e) {};13. balance -= amount; 14. } // withdraw15. } // Account

synchronized ist erforderlich, da ein Konto von mehreren Threads verwendet werden kann und mindestens einer den Zustand per withdraw ändern kann.



Geldabheber sind Threads, die vom Konto die withdraw-Methode verwenden.

1. class Withdrawer extends Thread {2. private Account account;3. private float amount;4. Withdrawer (Account account, float amount) {5. this.account = account;6. this.amount = amount;7. }8. public void run () {9. try { account.withdraw(amount); }10. catch (Exception e) { System.out.println(e); }11. } // run12. } // Withdrawer



Zwei Kontobevollmächtigte (Jenni und Hannah) wollen Geld vom gemeinsamen Konto abheben.

1. public class WithdrawApp {2. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {3. Account account = new Account(1000);4. Withdrawer hannah = new Withdrawer(account, 400); 5. Withdrawer jenni = new Withdrawer(account, 500); 6. hannah.start(); 7. jenni.start();8. hannah.join(); jenni.join();9. System.out.println("balance = " + account.getBalance());10. }11. }

as@hal:synchronized> java WithdrawApp balance = 100.0

as@hal:synchronized>



Nun die Realisierung der Klasse Account mittels Locks. Die Blockstruktur von synchronized muss mittels lock und unlock nachgebildet werden:

import java.util.concurrent.locks.*;

private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

lock.lock();try {

...}finally {

lock.unlock();}

Wichtig: Da im try-Block Ausnahmen auftreten können ist mittels finally sicherzustellen,

dass stets unlock aufgerufen wird! Nur so werden „gelockte“ Objekte immer freigegeben.

Die Verwendung von lock-unlock ist also aufwendiger, dafür aber universell: ein Thread kann lock aufrufen, ein andere unlock.

Soll anstelle einer Objektsperre eine Klassensperre deklariert werden, wird die Lock-Variable als static definiert.



1. import java.util.concurrent.locks.*;2. class Account {3. private float balance;4. private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);5. public Account (float initialBalance) {6. balance = initialBalance;7. } // Account8. public float getBalance() {9. lock.lock();10. try {11. return balance;12. }13. finally {14. lock.unlock();15. }16. } // getBalance17. public void withdraw( float amount) {18. lock.lock();19. try {20. if (amount < 0 || balance < amount)21. throw new IllegalArgumentException("withdraw:...);22. try { Thread.sleep(1000); } catch (Exception e) {};23. balance -= amount; 24. }25. finally {26. lock.unlock();27. }28. } // withdraw29. } // Account



Was muss geändert werden, wenn Jenni und Hannah nicht gleichzeitig Geld abholen dürfen?

Der erste Abholer hält den Lock, der zweite muss abgewiesen werden.

Lösung: trylLock anstelle von lock

1. public void withdraw( float amount) {2. if (lock.tryLock() == false) return;3. try {4. if (amount < 0 || balance < amount)5. throw new IllegalArgumentException("withdraw: ...);6. try { Thread.sleep(1000); } catch (Exception e) {}; 7. balance -= amount; 8. }9. finally {10. lock.unlock();11. }12. } // withdraw

as@hal:synchronized> java WithdrawApp balance = 600.0

as@hal:synchronized>


Concurrrent Paket: 3 Condition

Die Methode newCondition des Interface Lock liefert ein Condition-Objekt zurück. Genauer, ein Objekt einer Klasse die die Schnittstelle Condition implementiert.

1. public interface Condition {2. void await() throm InterruptedException;3. void awaitUninterruptibly();4. boolean await(long time Timeunit unit) throm

InterruptedException;5. long awaitNanos(long time) throm InterruptedException;6. boolean awaitUntil(Date deadline) throm InterruptedException;7. void signal();8. void signalAll();9. }

Die Methoden haben Ähnlichkeit zu wait und notify. Eine Condition ist signalisiert oder nicht signalisiert. Sofort nach ihrer Erzeugung ist

sie signalisiert. Ein await-Aufruf auf einer signalisierten Condition kehrt sofort zurück. Vor Rückkehr

von await wird die Condition in den nicht signalisierten Zustand versetzt. signal versetzt eine Condition in den signalisierten Zustand, weckt also einen

wartenden Thread signalAll weckt alle auf die Condition wartenden Threads.



Beispiel: BoundedBuffer, zunächst mit synchronized

q class BoundedBuffer {q private float[] buffer;q private int first, last;q private int numberInBuffer = 0, size;q

q BoundedBuffer(int length) {q size = length;q buffer = new float[size];q first = last = 0;q }q

q public synchronized void dumpBuffer() {q System.err.print("Buffer: "); // use err channel to logq for (int i=(first+1)%size, j=0; j<numberInBuffer; j++,

i=(i+1)%size)q System.err.print(buffer[i] + " ");q System.err.println(" ");q }q



1. public synchronized void put(float item) throws InterruptedException {

2. while(numberInBuffer == size) wait();3. last = (last+1)%size;4. numberInBuffer++;5. buffer[last] = item;6. dumpBuffer();7. notifyAll();8. }9.

10. public synchronized float get() throws InterruptedException {11. while(numberInBuffer == 0) wait();12. first = (first+1)%size;13. numberInBuffer--;14. dumpBuffer();15. notifyAll();16. return buffer[first];17. }18. } // BoundedBuffer

Die Methoden put und get sind mittels synchronized synchronisiert.



1. class Producer extends Thread {2. private BoundedBuffer buffer;3. public Producer(BoundedBuffer b) {4. buffer = b;5. }6. public void run() {7. for(int i = 0; i < 100; i++) {8. try { buffer.put(i);9. System.out.println("put " + i);10. } catch (InterruptedException ingnored) {};11. }12. }13. } // Producer14. class Consumer extends Thread {15. ...16. public void run() {17. for(int i = 0; i < 100; i++) {18. try { float x = buffer.get();19. System.out.println("got " + x);20. } catch (InterruptedException ingnored) {}; 21. }22. }23. } // Consumer

Ein Produzent ruft die put-Methode auf, ein Konsoment die get-Methode des gemeinsamen Buffers.



Wie kann man dies nun mittels Condition realisieren und wo sind die Vorteile?

1. class BoundedBuffer {2. private float[] buffer;3. private int first, last;4. private int numberInBuffer = 0, size;5.

6. private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();7. private final Condition notFull = lock.newCondition();8. private final Condition notEmpty = lock.newCondition();9.

10. BoundedBuffer(int length) {11. ...12. }13.

14. public void dumpBuffer() {15. ...16. }

Es gibt zwei Condition Attribute, notFull und notEmpty für das Objekt lock.



1. public void put(float item) throws InterruptedException {

2. lock.lock();3. try {4. while(numberInBuffer == size) notFull.await();5. last = (last+1)%size;6. numberInBuffer++;7. buffer[last] = item;8. dumpBuffer();9. notEmpty.signal();10. } finally {lock.unlock();}11. }

12. Wenn der Buffer voll ist, wird gewartet, bis eine Condition notFull signalisiert wird.

13. Nach dem Schreiben in den Buffer wird signaliert notEmpty.



1. public float get() throws InterruptedException {

2. try {3. lock.lock();4. while(numberInBuffer == 0) notEmpty.await();5. first = (first+1)%size;6. numberInBuffer--;7. dumpBuffer();8. notFull.signal();9. return buffer[first];10. } finally {lock.unlock();}11. }12. } // BoundedBuffer

Wenn der Buffer leer ist, wird gewartet, bis eine Condition notEmpty signalisiert wird.

Nach dem Lesen des Buffer wird signaliert notFull. Insgesamt ist man also mit Locks und Conditions flexibler, man kann

unterschiedliche Bedingungen signalisieren und so gezielt nur bestimmte Threads wecken (eben die die auf die Condition warten).


Concurrrent Paket: 4 Executors

Bisher gab es stets eine enge Verbindung, zwischen dem was ein Thread macht (definiert im Runnable Objekt) und dem Thread selbst.

Beispiel HelloWorld1. public class HelloWorld {2. public static void main (String args [ ]) {3. HelloWorldThread t = new HelloWorldThread ("Hello, World!");4. new Thread(t).start(); // creation and starting a thread 5. }6. }

7. class HelloWorldThread implements Runnable { // task of a thread8. private String str;9. HelloWorldThread(String s) {10. str = new String(s);11. }12. 13. public void run ( ) {14. System.out.println(str); 15. }16. }

In größeren Anwendungen macht es Sinn, strikt zwischen Thread-Management und Anwendungsfunktionalität des Thread zu unterscheiden.



Objekte, die das Management von Threads übernehmen, werden Executors genannt. Es existieren drei Schnittstellen für Executor:

Executor erlaubt das Erzeugen und Ausführen von Threads ExecutorService ist ein Subinterface von Executor, das den Lebenszyklus von

Thread beeinflussen kann ScheduledExecutorService erlaubt das Definieren von zukünftigen oder

periodischen Abläufen

Executor hat eine Methode execute, mit der ein Thread erzeugt und gestartet werden kann.

Wenn r ein Runnable Objekt ist und e ein Executor, dann gilt:

(new Thread(r)).start(); == e.execute(r);

ExecutorService beinhaltet neben execute noch die Methode submit, die ebenfalls ein Runnable-Objekt aufnehmen kann. Zusätzlich ist die in der Lage, ein Callable-Objekt als Parameter zu erhalten. Ein Callable liefert einen Rückgabewert eines Thread. submit liefert ein Future-Objekt zurück, das verwendet wird um den Rückgabewert des Callable zu verarbeiten.

Die meisten der Executor-Schnittstellen-Implementieirungen benutzen Threadpools.



Die Meisten Implementierungen der Executor-Schnittstellen benutzen Threadpools, die aus Workerthreads bestehen.

Die Idee ist es, eine Menge von Workerthreads zu haben, die einmal erzeugt werden und unterschiedliche Aufgaben im Verlauf der Zeit ausführen können.

Vorteil: die Threaderzeugung geschieht nur einmal Alternativ müsste für jede Aufgabe immer ein Thread erzeugt werden, dann

gelöscht werden, ein neuer Thread müsste erzeugt werden usw. Es existieren unterschiedliche Arten von Threadpools. Hier sei eine stellvertretend

behandelt. Bei einem fixed Threadpool gibt es eine feste Menge von Threads. Wenn mehrere

Aufgabe zu bearbeiten sind, als Threads verfügbar sind, werden sie in eine Warteschlage eingereiht.

Beispiel 3 Aufgaben mit Pool von 2 Threads

q import java.util.Random;q import java.util.concurrent.Executors;q import java.util.concurrent.ExecutorService;



1. class PrintTask implements Runnable {

2. private int sleepTime; // random sleep time for thread3. private String threadName; // name of thread4. private static Random generator = new Random();

5. // assign name to thread6. public PrintTask(String name) {7. threadName = name; // set name of thread8. sleepTime = generator.nextInt(5000); // sleep time between 0 and 5 s9. } // end PrintTask constructor

10. public void run() {11. try { // put thread to sleep for sleepTime amount of time12. System.out.printf("%s going to sleep for %d millisecs.\n",13. threadName, sleepTime);14. Thread.sleep(sleepTime); // put thread to sleep15. } // end try16. catch ( InterruptedException exception ) {17. exception.printStackTrace();18. } // end catch19. System.out.printf( "%s done sleeping\n", threadName );20. } // end method run21. } // end class PrintTask



1. public class Threadpool {2. public static void main( String[] args ) {3. // create and name each runnable4. PrintTask task1 = new PrintTask( "thread 1" );5. PrintTask task2 = new PrintTask( "thread 2" );6. PrintTask task3 = new PrintTask( "thread 3" );

7. System.out.println( "Starting threads" );

8. // create ExecutorService to manage threads9. ExecutorService threadExecutor = Executors.newFixedThreadPool( 2 );

10. // start threads and place in runnable state11. threadExecutor.execute( task1 ); // start task112. threadExecutor.execute( task2 ); // start task213. threadExecutor.execute( task3 ); // start task3

14. threadExecutor.shutdown(); // shutdown worker threads: no more worker 15. // allowed, but running worker run to complete16. System.out.println( "Threads started, main ends\n" );17. } // end main18. } // end class Threadpool

as@hal:FixedThreadPool> java ThreadpoolStarting threadsThreads started, main ends

thread 1 going to sleep for 722 millisecs.thread 2 going to sleep for 4965 millisecs.thread 1 done sleepingthread 3 going to sleep for 3703 millisecs.thread 3 done sleepingthread 2 done sleepingas@hal:FixedThreadPool>

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