Revisión del Concepto de Hilo (Thread) API Java parathreads: Marco General. Clase Thread: API Básica. TEMA 3: Creación y Control De Threads en Java

Transcripción

1 TEMA : Creación y Control De Threads en Java CONTENIDO Revisión del Concepto de Hilo Técnicas de Creación de Hilos Ciclo de Vida. Control de Hilos Prioridades Hilos y Sistemas Operativos BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA: [Eck0] Eckel, B. Thinking in Java. Prentice Hall. 00 [Göe06] Göetz et al. Java Concurrency in Practice, 006 [Oaks0] Oaks & Wong. Java Threads. O`Reilly, Revisión del Concepto de Hilo (Thread) Dentro de un proceso, el control suele seguir un hilo de ejecución, que comienza con main, continúa con el resto de las instrucciones, y termina con el proceso. Java soporta varios hilos de ejecución y por tanto, los programas de Java pueden crear dentro de sí mismos varias secuencias de ejecución concurrentes. A diferencia de los procesos concurrentes, que son independientes, los hilos de un mismo proceso comparten el espacio de direcciones virtuales, y los recursos del s.o. Por tanto, cada hilo tiene acceso a los datos y procedimientos del proceso, pero poseen su propio contador de programa y pila de llamadas a procedimientos. Los problemas que aparecen con una concurrencia multihilo son los habituales: exclusión mutua y sincronización, y con menor importancia, esquema de prioridades e interbloqueos. Se pueden tener hilos de dos formas: herencia de la clase Thread o implementación de la interfaz Runnable. Thread extends Clase Extendida Razones para Usar Hilos API Java parathreads: Marco General Estamos en programación concurrente y toca usar hilos Se optimiza el uso de la CPU Se modelan mejor determinados problemas o no El problema no admite otra solución razonable, por ejemplo programar un servidor decente diseñar un GUI interactivo Thread Thread() Thread(Runnable target) void run() void start() MiThread void run() extends parámetro RunnableObject void run()//imp. Runnable void run() subclase implementación implements Clase Thread: API Básica public class Thread extends Object implements Runnable public Thread(); public Thread(String name); public Thread(Runnable target); public Thread(Runnable target, String name); public Thread(Runnable target, String name, long stacksize); ; public void start(); public void join() 5 Concurrencia con Hilos por Herencia de la clase Thread class Ejemplo_Hilos1 extends Thread public Ejemplo_Hilos1 (int Tope) //constructor T = Tope; public void run () //sobreescritura del metodo run for (int i = 1; i <= T; i++) System.out.println (i); //aquí comportamiento del //hilo deseado private int T ; 6 1

2 Secuencia Temporal de Co-rutina con Hilos class Prueba_Hilo1 //Hace uso de la clase anterior public static void main (String [] args) throws InterruptedException Ejemplo_Hilos1 Hilo1 = new Ejemplo_Hilos1 (5); Ejemplo_Hilos1 Hilo = new Ejemplo_Hilos1 (15); Hilo1.start (); //Ahora se lanzan ambos hilos Hilo.start (); //con apertura de co-rutina Hilo1.join (); Hilo.join (); // y cierre de co-rutina System.out.println ("Hilos terminados"); E J E C U C I Ó N Programa principal Hilo 1 Hilo Condición de Espera (join) Tiempo 7 8 EJERCICIOS Revisitando incconcurrente.java Dado el código anterior, incremente el número de hilos y el número de vueltas que cada hilo da. Recompile y ejecute. Observa entrelazado en la salida? Continúe aumentando el número de hilos (por ejemplo definiendo un array de hilos) Dónde está el límite práctico al número de hilos (% uso de CPU próximo al 100%)? Escriba un hola mundo concurrente. Descárguelo (Tema 1) Array de Threads Dato común: n Variables static permiten compartir memoria entre threads Secciones críticas Condición de Concurso Resultados no consistentes Modelo de Memoria de Java 9 10 public class Hola_Adios extends Thread public Hola_Adios (String Palabra) Cadena = Palabra; EJERCICIOS private void otrometodo() System.out.println ( otro metodo ); public void run () for (;;) System.out.println (Cadena); this.otrometodo(); // run puede invocar otros metodos de la clase Integer p = new Integer(); //o crear los objetos que necesita Escriba un hilo que muestre pares o impares, según se indique en el constructor, un número dado de veces, que también se indicará en el constructor. Llame a la clase ParImpar.java Escriba ahora un código que hago uso de la clase anterior. Llámelo Usa_ParImpar.java Observe el entrelazado. Aloje una variable compartida en una clase llamada Critica.java. Provea métodos para incrementar la variable y para mostrar su contenido. Habría condiciones de concurso? Escriba ahora hilos que utilicen un objeto común de esa clase. Láncelos en un código aparte. Observa algo raro? Aunque no lo observe Qué puede ocurrir potencialmente? Realmente hacía falta la clase Critica.java? public static void main (String [] args) new Hola_Adios ("Hola").start (); new Hola_Adios ("Hola").start (); new Hola_Adios ("Hola").start (); new Hola_Adios ("Adios").start (); private String Cadena; 11 1

3 Concurrencia con Hilos por Implementación de la Interfaz Runnable public interface Runnable ; Es una interface de java.lang Cualquier clase X que la implemente expresa ejecución concurrente Objetos de la clase X son parámetros del constructor de Thread public class X implements Runnable //codigo concurrente Código concurrente en ejecución A = new X() H = new Thread(A) H.start() Objeto clase X contiene código concurrente H A A 1 1 Concurrencia con Hilos por Implementación de la Interfaz Runnable public class UsoRunnable implements Runnable private String Cadena; public UsoRunnable(String Palabra) Cadena=Palabra; for(;;) System.out.println(Cadena); UsoRunnable Hilo1 = new UsoRunnable("Hola"); UsoRunnable Hilo = new UsoRunnable("Adios"); new Thread(Hilo1).start(); new Thread(Hilo).start(); 15 /*Otra forma de crear hilos concurrentes dandoles nombre *@author Antonio J. Tomeu */ public class UsoRunnable implements Runnable private int Iter; public UsoRunnable(int Dato) Iter = Dato; for(int i=1;i<=iter;i++) System.out.println("Trabajando"); throws InterruptedException Runnable HiloA = new UsoRunnable(100); Runnable HiloB = new UsoRunnable(00); Runnable HiloC = new UsoRunnable(100); 16 //version del constructor Thread crea hilo con un nombre Thread A = new Thread(HiloA, "Mi Hilo"); Thread B = new Thread(HiloB, "Tu Hilo"); //sin nombre Thread C = new Thread(HiloC); A.start(); B.start(); A.join(); B.join(); C.join(); //metodo getname() de objetos de la clase Thread devuelve el nombre //del hilo System.out.println(A.getName()); System.out.println(B.getName()); //no tenia nombre, pero se le dio uno en tiempo de ejecucion. System.out.println(C.getName()); mparativa de Métodos de Multithreading Inconveniente de heredar de Thread: No permite heredar de otras clases. Alternativa de creación de hilos: Implementación de la interfaz Runnable Sobreescribir siempre el método run Los objetos que implementan Runnable deben ser lanzados explícitamente Se hace creando un objeto Thread cuyo parámetro es un objeto Runnable Luego se llama al método start del objeto Thread creado Técnica recomendada: implementar la interfaz 17 18

4 EJERCICIOS Otras técnicas de creación de Threads Escriba ahora código de hilo que implemente la interfaz Runnable. Déle al hilo acceso compartido a una variable común. Llámelo hilorunn.java Escriba un programa que haga uso de los hilos anteriores. Llámelo usahilrunn.java. Verifique la sobreescritura. Escriba código de hilo para el lanzamiento de una co-rutina. Cada hilo deberá desplegar su nombre. Desarrolle una versión con cada herramienta de creación de hilos. Llámelas Co_rutina_T.java y Co_rutina_I.java Inspeccione el API de la clase Thread. En C/C++, el API de pthread.h incluye herramientas de sincronización mediante mutex. Puede decirse lo mismo de la clase Thread en java? Finalmente, desarrolle una versión en java del algoritmo de Lamport para dos procesos utilizando hilos heredados de Thread. Pool de Threads Permiten reutilizar hilos Deben ajustarse (tuning) según aplicación Análisis en Tema Objetos Thread: Ciclo de Vida Hilo Inexistente CLASEThread: API DE CONTROL Un hilo t1 puede se controlado por otro hilo t0 (normalmente el hilo padre) a través de los siguientes métodos de la clase Thread. new Thread(), new Thread(Runnable t) destroy()//derogado Hilo nuevo start() Método t1.checkaccess() t1.start () t1.stop () Lanza el hilo t1 Comportamiento Determina si t0 tiene permiso para controlar a t1. Mata al hilo t1. DEROGADO wait(), join() Ejecutable destroy()-fin_ejecución //derogado t1.isalive() t1.suspend () t1.resume () Comprueba si el hilo t1 está vivo. Envía a t1 de listo/en ejecución a bloqueado. Hace que t1 vaya de bloqueado a listo. DEROGADO notify(), notifyall() t1.interrupt () Envía una señal a t1. Bloqueado destroy()//derogado Muerto recolección de basura t1.sleep(int t) t1.yield() t1.join () t1.destroy () Suspende a t1 durante t milisegundos. Pasa a t1 de en ejecución a listo. Suspende a t0 y espera a que termine t1. Mata a t1. DEROGADO Hilo Inexistente 1 CONTROL DE Threads: Ejemplo con Métodos Derogados import java.io.*; Import java.util.*; public class Control extends Thread //No declara constructor explicito. Usa el disponible por defecto for(;;) System.out.println("Trabajando"); throws IOException int c; //usando el constructor implicito Control Hilo = new Control(); Hilo.start(); for(int i=1; i<=100; i++) //entrelazado de instrucciones System.out.println("Hola soy el padre"); Hilo.suspend(); //USO DE METODO DEROGADO, HILO PADRE SUSPENDE A HIJO. System.out.println("Hijo suspendido"); //Ahora reactivamos al hijo, que pasa a listo. System.out.println("Pulsa 1 para despertar al hijo"); do c=system.in.read(); while(c!= -1); Hilo.resume(); //USO DE METODO DEROGADO, PASA A LISTO A HIJO //un poquito de interfoliacion otra vez. for(int i=1; i<=100; i++) System.out.println("Hola soy el padre"); Hilo.stop(); //USO DE METODO DEROGADO, PADRE PARA AL HIJO

5 CONTROL DE Threads: Ejemplo de Replanificación Voluntaria (sleep) import java.io.*; public class AutoControl extends Thread private int Vueltas; public AutoControl(int Dato) Vueltas=Dato; //el uso de sleep exige capturar la posible excepcion. try for(int i=1; i<=vueltas; i++) System.out.println(i); if(i==5)//los hilos se suspenden en la iteracion 5 System.out.println("Suspension durante dos segundos"); int timeout = 1000; sleep(timeout); System.out.println("Continuando"); //if //for catch (InterruptedException e) return; 5 new AutoControl(50).start(); new AutoControl(150).start(); 6 CONTROL DE Threads: Ejemplo de Cesión de Prioridad Voluntaria (yield) public class replaniyield extends Thread private boolean hy;//indicara si el hilo cede prioridad o no private int v; public replaniyield(boolean haceryield, int vueltas) hy = haceryield; v = vueltas; for(int i=0; i<v; i++) if(i==0&&hy==true)this.yield();//indica cesion de prioridad else System.out.println("Hilo "+this.getname()+" en iteracion "+i); replaniyield h0 = new replaniyield(false, 50); replaniyield h1 = new replaniyield(false, 50); replaniyield h = new replaniyield(true, 50); //cedera prioridad y h0.setname("1-noyield"); //sera o no considerarda h1.setname("-noyield"); h.setname("-siyield"); h0.start(); h1.start(); h.start(); 7 CONTROL DE PRIORIDAD Prioridad hilo hijo igual a la de hilo padre La prioridad tiene sentido exclusivamente en el ámbito de la JVM aunque se mapea a los hilos de sistema (OJO: EL MAPPING NO ES RIGUROSO=>INVERSIONES DE PRIORIDAD) Clase Thread:esquema de diez niveles de prioridad Ver la prioridad de un hilo: public int getpriority() Alterar la prioridad de un hilo: public void setpriority(int p) (1<=p<=10) 8 CLASE Thread: API DE CONTROL DE PRIORIDAD PLANIFICACIÓN BASADA EN PRIORIDADES package java.lang; public class Thread implements Runnable public final static int Thread.MIN_PRIORITY; public final static int Thread.NORM_PRIORITY; public final static int Thread.MAX_PRIORITY; public void setpriority(int prioridad); public int getpriority(): Valor prioridad en JVM indica al planificador del S.O qué hilos van primero pero no es un contrato absoluto entre ambos ya que depende: de la implementación de la JVM del S.O. subyacente del mapping prioridad jvm-prioridad s.o

6 public class Prioridades extends Thread private long dato; private static int prio = ; //atributo de clase comun a instancias public Prioridades (long n)dato=n; private long fac(long n) if (n == 0) return 0; else if (n == 1) return 1; else return(fac(n-1)*n); //this.setpriority(prio++); //ejecutar con y sin el ajuste de prioridad System.out.println("El factorial de "+dato+" es "+fac(dato)); new Prioridades(10).start(); //orden lanzamiento no es igual al orden new Prioridades(0).start(); //de ejecución pero new Prioridades(0).start(); // ajustando las prioridades? new Prioridades(0).start(); new Prioridades(50).start(); new Prioridades(60).start(); 1 import java.util.*; import java.text.*; public class Trabajo implements Runnable long n; String id; private long fib(long n) if (n == 0) return 0L; if (n == 1) return 1L; return fib(n - 1) + fib(n - ); public Trabajo(long n, String id) this.n = n; this.id = id; Date d = new Date(); DateFormat df = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss:SSS"); long starttime = System.currentTimeMillis(); d.settime(starttime); System.out.println("Iniciando trabajo " + id + " a las " + df.format(d)); fib(n); long endtime = System.currentTimeMillis(); d.settime(endtime); System.out.println("Acabando trabajo " + id + " a las " + df.format(d) + " tras " + (endtime - starttime) + " milliseconds"); public class ThreadTest public class ThreadTestNuevaPrioridad int nhilos = Integer.parseInt(args[0]); long n = Long.parseLong(args[1]); int nhilos = Integer.parseInt(args[0]); long n = Long.parseLong(args[1]); Thread t[] = new Thread[nHilos]; Thread t[] = new Thread[nHilos]; for (int i = 0; i < t.length; i++) t[i] = new Thread(new Trabajo(n, "Trabajo " + i)); t[i].start(); for (int i = 0; i < t.length; i++) try t[i].join(); catch (InterruptedException ie) for (int i = 0; i < t.length; i++) t[i] = new Thread(new Trabajo(n, "Trabajo " + i)); t[i].setpriority((i % 10)+1); t[i].start(); for (int i = 0; i < t.length; i++) try t[i].join(); catch (InterruptedException ie) EJERCICIOS Compile y ejecute los códigos anteriores Observa inversiones de prioridad? A qué cree que se deben? Desarrolle ahora código de hilo sincronizado basado en prioridades (p.e. un hilo incrementa un dato y otro lo muestra, en ese orden) Es una estrategia válida de sincronización? Y con una co-rutina? MAPPING HILOS JVM-HILOS NATIVOS DE WIN El s.o. conoce el número de hilos que usa la JVM Se aplican uno-a-uno. (JVM a Win) El secuenciamiento de hilos java está sujeto al del s.o. Se aplican 10 prioridades en la JVM sobre 7 en el s.o.+5 prioridades de secuenciamiento 5 6 6

7 MAPPING PRIORIDADES JVM A WIN MAPPING HILOS JVM-HILOS NATIVOS DE WIN Prioridad Java 0 1 (Thread.MIN_PRIORITY) 5 (Thread.NORM_PRIORITY) (Thread.MAX_PRIORITY) Prioridad Win THREAD.PRIORITY_IDLE THREAD.PRIORITY_LOWEST THREAD.PRIORITY_LOWEST THREAD.PRIORITY_BELOW_NORMAL THREAD.PRIORITY_BELOW_NORMAL THREAD.PRIORITY_NORMAL THREAD.PRIORITY_ABOVE_NORMAL THREAD.PRIORITY_ABOVE_NORMAL THREAD.PRIORITY_HIGHEST THREAD.PRIORITY_HIGHEST THREAD.PRIORITY_TIME_CRITICAL Pero recuerde En general, hilos de baja prioridad obtendrán acceso al procesador cuando los de alta prioridad estén en espera. La prioridad es poco significativa cuando todos los hilos compiten por el procesador. 7 8 MAPPING HILOS JVM-HILOS NATIVOS DE LINUX MAPPING PRIORIDADES JVM A PRIORIDADES DE HILOS LINUX Núcleos recientes implementan Native Posix Thread Library Aplican hilos JVM a hilos del núcleo uno-a-uno bajo el modelo de Solaris La prioridad java es un factor muy pequeño en el cálculo global del secuenciamiento Prioridad Java 0 1 (Thread.MIN_PRIORITY) 5 (Thread.NORM_PRIORITY) (Thread.MAX_PRIORITY) Prioridad Linux (nice value) no contemplado RESTRICCIONES DEL MAPPING PRIORIDADES JVM A LINUX Solo como root (o con privilegios equivalentes, setuid) Parametrizar a la JVM indicando que tenga en cuenta las prioridades. CONTROL DE PRIORIDAD: CONCLUSIONES La actual especificación de la JVM no establece un modelo de planificación por prioridades El comportamiento puede y debe variar en diferentes máquinas En secuencias de tareas estrictas, no es posible planificar con prioridades Aunque sí con co-rutinas, a nivel básico 1 7

8 En el Próximo Tema Modelos Teóricos de Control de la Concurrencia Variables Comunes Semáforos Regiones Críticas Monitores 8