Corso Programmazione Java Avanzata

Corso Programmazione Java Avanzata Modulo 17: MultiThreading Leggi il programma completo del corso www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it

Agenda ............ Cap 12 - Cache Cap 13 - Logging Cap 14 - SWING/AWT Cap 15 -JVM Cap 16 - Profiling e Tuning ►Cap 17 - MultiThreading◄ Cap 18 - Grid Computing www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 2

Definizioni di base ● PROCESSO – Programma in esecuzione ● THREAD – Processo leggero Thread 1 Thread 2 Processo www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 3

Definizioni di base MULTI-TASK: Un sistema operativo multitask permette di eseguire più programmi concorrentemente. MULTI-THREAD: Il multithreading è una tecnica che permette di avere più flussi di esecuzione contemporanei (thread) in uno stesso processo. SCHEDULER: Lo scheduler si occupa di fare avanzare un processo interrompendone temporaneamente un altro, realizzando così un cambiamento di contesto (context switch). preemption Esegue P1 (context-switch) P1 P2 Esegue P3 P3 time-slice www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 4

Perché MultiThread? Generalmente si creano applicazioni multithread per questioni di Performance: ● non si deve generare codice con scadenti prestazioni dipendenti da una cattiva gestione della sincronizzazione; ● ma non si deve eliminare la sincronizzazione in virtù di una miglior velocità del sistema. First make it work, then make it fast! www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 5

Creare Thread in Java Ci sono due possibilità per creare un thread in Java: 1. come oggetti di sottoclassi della classe Thread; 2. come oggetti di classi che implementano l’interfaccia Runnable. Sia la classe Thread che l’interfaccia Runnable appartengono al package java.lang In entrambi i casi, un thread esegue l'algoritmo implementato nel suo metodo run() e va in esecuzione concorrente con gli altri thread esistenti. www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 6

Utilizzo dei Thread Le seguenti operazioni di base consentono di controllare l’esecuzione dei thread: t.suspend(); // sospende l’esecuzione di t - deprecated t.resume(); // fa riprendere l’esecuzione di t - deprecated t.stop(); // forza la terminazione di t - deprecated t.join(); // consente di attendere sino ala terminazione di t yield(); // il thread corrente cede il controllo ad altri ATTENZIONE: I metodi stop(), suspend() e resume() rappresentano azioni “brutali” sul ciclo di vita di un thread => rischio di determinare blocco critico (deadlock)! Primitive di sincronizzazione: wait(); // pone il thread in attesa del verificarsi di una // condizione notify(); // segnala il cambiamento di una condizione // (es. rilasciata una risorsa condivisa ) notifyAll(); // come sopra ma sveglio tutti i thread in attesa www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 7

Priorità dei Thread Ai thread è possibile assegnare una priorità: t.setPriority(thread_priority); t.getPriority(); Le priorità possono variare in un intervallo (tipo 1-10), identificato dalle costanti Thread.MIN_PRIORITY e Thread.MAX_PRIORITY. Come default i thread prendono tutti la stessa priorità, ovvero: Thread.NORM_PRIORITY. Lo scheduler della JVM dispaccia sulla CPU uno dei thread con la priorità più alta che si trova nello stato ready-to-run. www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 8

Ciclo di vita dei Thread Waiting/ blocking New Runnable Running Dead www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 9

Verifica dell’ambiente MultiThread... Si consideri la seguente classe che definisce un thread corridore: Runner.java class Runner extends Thread { public Runner(String nome){ super(nome); } public void run(){ for(int tick=0;tick<400000;tick++) if(tick%5000==0) System.out.println(”Runner: ”+getName()+“ tick: “+tick); } } Ed il seguente programma che crea e attiva due corridori: Runner.java public class TestYourJavaRuntimeSystem { public static void main(String [] args){ Runner r1 = new Runner(“r1”); Runner r2 = new Runner(“r2”); r1.start(); r2.start(); } } www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 10

...Verifica dell’ambiente MultiThread Se l’ambiente multithread disponibile non è time-sliced, un possibile output potrebbe essere: Runer: r1 tick: 0 Runer: r1 tick: 5000 Runer: r1 tick: 10000 … Runer: r1 tick: 395000 Runer: r2 tick: 0 Runer: r2 tick: 5000 Runer: r2 tick: 10000 … Runer: r2 tick: 395000 Ossia l’esecuzione di r2 inizia soltanto dopo che l’esecuzione di r1 è terminata. Se invece il sistema è pre-emptive con time-slicing, ogni thread rimane in esecuzione per un quanto di tempo. Quindi viene spodestato dalla CPU, da parte dello scheduler, che lancia l’esecuzione dell’altro thread. L’output è costituito da scritte, casualmente alternate, generate dai due thread. www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 11

Meccanismi di sincronizzazione... Normalmente i thread di un’applicazione non sono indipendenti (come i corridori). Piuttosto essi collaborano al raggiungimento di un obiettivo globale e necessitano di comunicazione e cooperazione per evitare l’insorgere di race condition (condizioni di corsa). v 2 P1 P2 MOVE AX,v : : MOVE AX,v ADD AX,2 v = v +1 INC AX v = v +2 MOVE v,AX MOVE v,AX : : Fondamentali sono a questo proposito le operazioni di sincronizzazione nell’accesso a risorse condivise. www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 12

...Meccanismi di sincronizzazione... Possibile scheduling: P1 P2 AX v ? 2 MOVE AX,v 2 2 ADD AX,2 4 2 context switch MOVE AX,v 2 2 INC AX 3 2 MOVE v,AX 3 3 context switch 3 3 MOVE v,AX Al termine dell’esecuzione dei due processi, la variabile v avrà come contenuto 3 e non 5 come ci saremmo aspettati! => Dobbiamo mettere un lucchetto su v, ovvero eseguire in modo atomico le istruzioni che la manipolano definendo delle sezioni critiche! www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 13

...Meccanismi di sincronizzazione... Una classe è detta thread-safe se può essere acceduta contemporaneamente da un insieme di thread, escludendo il rischio di race-condition. In Java la sincronizzazione è essenzialmente assicurata dall’adozione di un meccanismo di monitoraggio. Ciascuna istanza di una classe thread-safe ha associato un monitor e i metodi della classe possono essere eseguiti in mutua esclusione. La sintassi di una generica classe thread-safe: ThreadSafe.java public class ThreadSafe … { public syncronized void method1(){ // sezione critica } public syncronized void method2(){ // sezione critica } } www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 14

...Meccanismi di sincronizzazione Si garantisce l'accesso ai dati interni dell'oggetto ad un solo thread per volta. Un metodo con molte istruzioni necessita di un tempo di esecuzione lungo, questo determina una attesa prolungata da parte degli altri thread. Java offre anche il blocco sincronizzato per restringere l’estensione della sezione critica: synchronized(oggetto){ // sezione critica } L’oggetto denota l’istanza su cui un thread pone un lucchetto. www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 15

Produttore Consumatore… Il problema Produttore Consumatore è un classico problema di IPC (Inter-Process Communication) della letteratura tecnica. Analizziamo la variante con un solo produttore ed un solo consumatore: Produttore Buffer Consumatore ● il produttore alterna le fasi di produzione e deposito; ● il consumatore alterna le fasi di prelievo e consumo; ● il buffer fa da “tampone”; ● il buffer è una risorsa condivisa => operazioni su buffer sincronizzate. www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 16

…Produttore Consumatore… BufferLimitato.java class BufferLimitato { private int n; private int[] buffer; private int in, out, count; public BufferLimitato( int n ){ this.n=n; buffer = new int[n]; in=0; out=0; count=0; } public synchronized int get() { if( count==0 ) try { wait(); } catch (InterruptedException ignored) {} int ans = buffer[out]; out = (out+1)%n; count--; notify(); return ans; } public synchronized void put( int value ) { if( count==n ) try { wait(); } catch (InterruptedException ignored) {} buffer[in] = value; in = (in+1)%n; count++; notify(); } } www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 17

…Produttore Consumatore… Producer.java class Producer extends Thread { private BufferLimitato b; private int number; String nome; public Producer(BufferLimitato b, int number, String nome){ super(nome); this.nome=nome; this.number=number; this.b=b; } public void run(){ while(true){ b.put(number); System.out.println("Producer "+nome+" produces item# "+number); number++; try{ sleep(2500+(int)Math.random()*20000); } catch (InterruptedException e) {} } } } www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 18

…Produttore Consumatore… TestProduttoreConsumatore.java public class TestProduttoreConsumatore { public static void main(String [] args){ BufferLimitato b = new BufferLimitato(5); Producer p1 = new Producer(b,1,"Pippo"); Consumer c1 = new Consumer(b,"Pluto"); p1.start(); c1.start(); } } Un possibile output: Producer Pippo produces item# 1 Comsumer Pluto recives item# 1 Producer Pippo produces item# 2 Comsumer Pluto recives item# 2 Producer Pippo produces item# 3 Producer Pippo produces item# 4 Comsumer Pluto recives item# 3 Producer Pippo produces item# 5 Producer Pippo produces item# 6 Comsumer Pluto recives item# 4 www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 19

…Produttore Consumatore… Si è fatto uso delle primitive wait() e notify() definite da Object. L’operazione wait() pone un thread in attesa al verificarsi di una condizione. L’operazione notify() segnala che una condizione è cambiata e che dunque l’altro thread in attesa può riprendere l’esecuzione. OSSERVAZIONE: Ma se i Produttori e/o i Consumatori sono più di uno? BufferLimitato.java class BufferLimitato { //… public synchronized int get() { while( count==0 ) //… notifyAll(); return ans; } public synchronized void put( int value ) { while( count==n ) //… notifyAll(); } } www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 20

…Produttore Consumatore Nel caso di 3 produttori e 2 consumatori un possibile output: Producer P2 produces item# 200 Producer P1 produces item# 100 Producer P3 produces item# 300 Comsumer C1 recives item# 100 Comsumer C2 recives item# 200 Producer P1 produces item# 101 Producer P2 produces item# 201 Producer P3 produces item# 301 Producer P2 produces item# 202 Comsumer C1 recives item# 300 Producer P1 produces item# 102 Producer P3 produces item# 302 Comsumer C2 recives item# 201 www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 21

Osservazioni conclusive E’ indispensabile ricorrere a strategie di sincronizzazione tra thread che condividono risorse, in quanto potrebbero nascere problematiche piuttosto gravi: DEADLOCK Può succedere che un gruppo di thread non possa procedere con l'esecuzione in quanto ognuno di essi è in attesa di una risorsa bloccata da un altro thread del gruppo. Ad esempio: ● Il thread 1 ha il lock su A ed e in attesa del lock di B. ● Il thread 2 ha il lock su B ed e in attesa del lock di A. STARVATION Può succedere che un thread non avanzi perché le risorse necessarie sono sempre ipotecate da altri. www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 22

Domande ● Quanti e quali sono le alternative per creare thread in Java? ● Un thread a cui si invia un messaggio di start() in quale stato si trova? ● Perchè il metodo stop() è deprecato? ● Quale problematica è più grave, il deadlock o la starvation? ● Chi consente il passaggio ad un thread dallo stato Runnable allo stato Running? www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 23

Riferimenti ● Core Java 2: Volume I: Fondamenti Cay S. Horstmann, Gary Cornell, 2005 ● Core Java 2: Volume II: Tecniche Avanzate Cay S. Horstmann, Gary Cornell, 2005 ● Java Threads Scott Oaks, Henry Wong 1999 ● Database Programming with JDBC and Java George Reese, 2001 ● Java Database Programming Bibble John O'Donahue, 1999 ● MySQL and Java Developer’s Guide Mark Matthews, Jim Cole, Joseph D. Gradecki, 2003 www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 24

BREAK Dopo la pausa: Grid Computing Leggi il programma completo del corso www.javaportal.it | www.k-tech.it corsi@k-tech.it 25

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by K-Tech Formazione on Sep 08, 2009

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