} Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 5 Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 6 de Alto Nivel

Transcripción

1 TEMA 6: API Java para Concurrencia de Alto Nivel CONTENIDO API Java 5 de Control de la Concurrencia Clases para Gestión de Variables Atómicas Clase java.concurrent.util.concurrent.semaphore Clase java.concurrent.util.concurrent.cyclicbarrier El API java.concurrent.util.concurrent.locks y la interfaz Condition Colas Contenedoras Sincronizados Pool de Threads: Concepto, utilidad y utilización BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA: [Göe06] Göetz et al. Java Concurrency in Practice, [Oaks04] Oaks & Wong. Java Threads. O`Reilly, Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 1 de Alto Nivel Generalidades Disponible a partir de Java 5 Mejoras respecto a los mecanismos previos de control de la concurrencia Generan menos sobrecarga en tiempo de ejecución Permiten controlar la e.m. y la sincronización a un nivel más fino Soporta primitivas clásicas como los semáforos o las variables de condición en monitores Añade nuevas primitivas y gestión de hilos mediante pools. Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 2 de Alto Nivel Qué paquetes usar? Disponible en los paquetes: java.util.concurrent java.util.concurrent.atomic java.util.concurrent.locks Cierres para control de e.m. Semáforos, Barreras Colecciones (clases contenedoras) concurrentes de acceso sincronizado Variables atómicas El API java.util.concurrent.atomic Conjunto de clases que soportan programación concurrente segura sobre variables simples tratadas de forma atómica Clases: AtomicBoolean,AtomicInteger, AtomicIntegerArray,AtomicLong,AtomicLong Array,AtomicReference<V>, etc. OJO: No todos los métodos del API de estas clases soportan concurrencia segura. Sólo aquellos en los que se indica que la operación se realiza de forma atómica Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 3 de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 4 de Alto Nivel import java.util.concurrent.atomic.*; class Hilo extends Thread AtomicInteger cont = null; //el contador es entero atómico public Hilo(AtomicInteger c) this.cont = c; //se incrementa cont, retornando el valor previo int valor = this.cont.incrementandget(); System.out.println(valor); EJERCICIO Escribir una condición de carrera usando objetos AtomicInteger y verificar que se preserva la e.m. public class prueba_var_atomic public static void main(string[] args) AtomicInteger cnt = new AtomicInteger(0); for(int i=0; i<100; i++) Hilo h = new Hilo(cnt); h.start(); Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 5 Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 6 de Alto Nivel 1

2 La clase java.util.concurrent.semaphore Permite disponer de semáforos de conteo de semántica mínima igual a la estándar de Djikstra, o aumentada. Métodos principales: Semaphore (long permits) acquire(), acquire(int permits) release(), release (int permits) tryacquire(); varias versiones avalaiblepermits() public class Bloqueo_Semaforo public static void main(string[] args) throws InterruptedException Semaphore sem = new Semaphore (2); sem.acquire(2); System.out.println("Semaforo actualizado a valor 0..."); System.out.println("y su estado es: "+sem.tostring()); System.out.println("Ahora intentamos adquirirlo..."); sem.tryacquire(); System.out.println("sin bloqueo por no conseguirlo"); System.out.println("Ahora intentamos adquirirlo..."); sem.tryacquire(3l, TimeUnit.SECONDS); System.out.println("tras esperar lo indicado sin consguirlo..."); sem.acquire(); System.out.println("Aquí no llegaremos nunca..."); Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 7 de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 8 de Alto Nivel Protocolo de Control de E.M. con Semáforos // Thread A try s.acquire(); catch (InterruptedException ex) //Bloque de código a ejecutar en e.m s.release(); // Thread B try s.acquire(); catch (InterruptedException ex) //Bloque de código a ejecutar en e.m s.release(); //En el programa principal, hacer siempre Semaphore s = new Semaphore (1); 9 Ejemplo de Control de E.M. con Semáforos public class Tarea_concurrente extends Thread Semaphore s; //referencia a un semaforo común a otros hilos public Tarea_concurrente(Semaphore param) s = param; public void run () for(;;) try s.acquire(); catch (InterruptedException e) System.out.println("Hilo "+this.getname()+" entrando a seccion critica"); s.release(); System.out.println("Hilo "+this.getname()+" saliendo de seccion critica"); Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 10de Alto Nivel EJERCICIO Descargue la clase Tarea_Concurrente.java y compile Descargue la clase Protocolo_em_semaphore.java, compile y ejecute. Diseñe, utilizando semáforos, un código cuyos hilos se interbloqueen:deadlocksem.java Protocolo de Sincronización Inter-Hilos con Semáforos // Thread A public void esperarseñal(semaphore s) try s.acquire(); catch (InterruptedException ex) // Thread B public void enviarseñal(semaphore s) s.release(); //En el programa principal, hacer siempre Semaphore s = new Semaphore (0); Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 11de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 12de Alto Nivel 2

3 class HiloReceptor extends Thread Semaphore sem; public HiloReceptor(Semaphore s)sem = s; System.out.println("Hilo Receptor esta esperando la senal"); trysem.acquire(); catch (InterruptedException e) System.out.println("Hilo Receptor ha recibido la senal"); class HiloSenalador extends Thread Semaphore sem; public HiloSenalador(Semaphore s)sem = s; sem.release(); System.out.println("Hilo Senalador enviando senal..."); public class protocolo_sincronizacion_semaphore public static void main(string[] args) int v_inic_sem = 0; Semaphore s = new Semaphore(v_inic_sem); new HiloReceptor(s).start(); new HiloSenalador (s).start(); EJERCICIO Utilizando las semáforos que sean necesarios, provea la sincronización por turno cíclico de tres hilos diferentes. Nombre sus ficheros HA.java, HB.java, Implante ahora una lector-escritor con semáforos. Nombre sus ficheros LE1.java, LE2.java, Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 13 de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 14 de Alto Nivel La clase java.util.concurrent.cyclicbarrier Una barrera es un punto de espera a partir del cuál todos los hilos se sincronizan Ningún hilo pasa la barrera hasta que todos los hilos esperados llegan a ella Utilidad Unificar resultados parciales Inicio siguiente fase ejecución simultánea Protocolo de Barrera // Codigo de Thread public Hilo extends Thread P ublic Hilo (CyclicBarrier bar) try int i = bar.await(); catch (BrokenBarrierException e) catch (InterruptedException e) //codigo a ejecutar cuando se abre barrera //En el programa principal, hacer siempre int numhilos = n; //numero de hilo que abren barrera CyclicBarrier Barrera = new CyclicBarrier (numhilos); new Hilo(Barrera).start(); Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 15de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 16de Alto Nivel class Hilo extends Thread CyclicBarrier barrera = null; public Hilo (CyclicBarrier bar) barrera = bar; try int i = barrera.await(); catch (BrokenBarrierException e) catch (InterruptedException e) System.out.println("El hilo "+this.tostring()+" paso la barrera..."); EJERCICIO Un vector de 100 enteros es escalado mediante f(v[i])=v[i] 2. Posteriomente el vector se suma entero en un único número. Escriba un programa en java multihebrado (utilizando barreras) que realice la tarea: vectsum.java public class UsaBarreras public static void main(string[] args) int numhilos = 3; CyclicBarrier PasoANivel = new CyclicBarrier (numhilos); new Hilo(PasoANivel).start(); Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 17 de Alto Nivel 18 3

4 El API java.util.concurrent.locks Proporciona clases para establecer sincronización de hilos alternativas a los bloques de código sincronizado y a los monitores Clases e interfaces de interés: ReentrantLock: proprociona cerrojos de e.m. de semántica equivalente a synchronized, pero con un manejo más sencillo. LockSupport: proporciona primitivas de bloqueo de hilos que permiten al programador diseñar sus clases de sincronización y cerrojos propios Condition:es una interface, cuyas instancias se usan asociadas a locks. Implementan variables de condición y proporcionan una alternativa de sincronización a los métodos wait, notify y notifyall de la clase Object. El API de la clase ReentrantLock Proporciona cerrojos reentrantes de semántica equivalente a synchronized. Métodos lock()-unlock() Método islocked() Método Condition newcondition() que retorna una variable de condición asociada al cerrojo Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 19de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 20de Alto Nivel Protocolo de Control de E.M. con ReentrantLock Protocolo de Control de E.M. con ReentrantLock Definir el recurso compartido donde sea necesario Definir un objeto c de clase ReentrantLock para control de la exclusión mutua. Acotar la sección crítica con el par c.lock() y c.unlock() class Usuario private final ReentrantLock cerrojo = new ReentrantLock(); //... public void metodo() cerrojo.lock(); try //... cuerpo del metodo en e.m. finally cerrojo.unlock() NOTA: Semántica equivalente a haber etiquetado el segmento de código crítico como synchronized. Útil para adaptar código concurrente antiguo a java 5. Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 21de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 22de Alto Nivel EJERCICIOS La Interfaz Condition Escribir un protocolo de e.m. con cerrojos ReentrantLock y guardarlo en emrl.java. Escribir una clase que lo use. Descargue otra vez nuestra vieja clase Cuenta_Banca.java Decida que código debe ser sincronizado, y sincronícelo con cerrojos ReentrantLock. La nueva clase será Cuenta_Banca_RL.java Escriba un programa multihebrado que use objetos de la clase anterior.llámelo Usa_Cuenta_Banca_Sync.java Proporciona variables de condición Se usa asociada a un cerrojo: siendo cerrojo una instancia de la clase ReentrantLock, cerrojo.newcondition() retorna la variable. Operaciones: await(), signal(), signalall() Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 23de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 24de Alto Nivel 4

5 import java.util.concurrent.locks.*; class buffer_acotado final Lock cerrojo = new ReentrantLock(); //declara y crea un cerrojo final Condition nollena = cerrojo.newcondition(); //obtiene variables de condicion asociadas a cerrojo final Condition novacia = cerrojo.newcondition(); //para control de buffer lleno y vacio final Object[] items = new Object[100]; //array de objetos int putptr, takeptr, cont; //punteros de insercion y extracción public void put(object x) throws InterruptedException cerrojo.lock(); try while (cont == items.length) nollena.await(); //duerme a hilo productor si buffer lleno items[putptr] = x; if (++putptr == items.length) putptr = 0; ++cont; novacia.signal(); //despierta a hilo consumidor esperando presencia de datos en buffer finally cerrojo.unlock(); public Object take() throws InterruptedException cerrojo.lock(); try while (cont == 0) novacia.await(); //duerme a hilo consumidor si buffer vacio Object x = items[takeptr]; if (++takeptr == items.length) takeptr = 0; --cont; nollena.signal(); //despierta a hilo productor esperando presencia de huecos en buffer return x; finally cerrojo.unlock(); EJERCICIOS Descargue y compile la clase buffer_acotado.java Qué diferencias tiene con la clase Buffer.java? (carpeta código Tema5) Implemente ahora hilos productores y consumidores que usen el buffer acotado y láncelos. Llame a su código prod_con_condition.java Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 25de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 26de Alto Nivel Clases Contenedoras Sincronizadas Colas Sincronizadas A partir de Java 5 se incorporan versiones sincronizadas de las principales clases contenedoras Disponibles en java.util.concurrent Clases: ConcurrentHashMap, ConcurrentSkipLis tmap, ConcurrentSkipListSet, CopyOnW ritearraylist, y CopyOnWriteArraySet A partir de Java 5 se incorporan diferentes versiones de colas, todas ellas sincronizadas Disponibles en java.util.concurrent Clases: LinkedBlockingQueue, ArrayBlockingQu eue, SynchronousQueue, PriorityBlock ingqueue,y DelayQueue Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 27de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 28de Alto Nivel Caracterísicas Son seguras frente a hilos concurrentes Proporcionan notificación a hilos según cambia su contenido Son autosincronizadas. Pueden proveer sincronización (además de e.m.) por sí mismas Facilitan enormemente la programación de patrones de concurrencia como el P-S public class Productor implements Runnable LinkedBlockingQueue<Integer> data; Thread hilo; public Productor(LinkedBlockingQueue<Integer> l) this.data = l; hilo = new Thread (this); hilo.start(); try for(int x=0;;x++) data.put(new Integer(x)); //bloqueo de hilo si no hay hueco System.out.println("Insertando "+x); catch(interruptedexception e) Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 29de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 30de Alto Nivel 5

6 public class Consumidor implements Runnable LinkedBlockingQueue<Integer> data; Thread hilo; public Consumidor(LinkedBlockingQueue<Integer> l) this.data = l; hilo = new Thread (this); hilo.start(); try for(;;) //bloquea a hilo consumidor si no hay datos System.out.println("Extrayendo "+data.take().intvalue()); catch(interruptedexception e) EJERCICIOS Descargue (subcarpeta colecciones seguras) Productor.java, Consumidor.java y ProdConColaBloqueante.java Ejecute. Cómo explica el comportamiento observado? Modificaciones: Aumente el número de ranuras de la cola Active varios productores y un consumidor Active un productor y varios consumidores Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 31de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 32de Alto Nivel USO CORRECTO DE COLECCIONES Usamos colecciones a través de interfaces (usabilidad del código) Usar colecciones no sincronizadas no mejora mucho el rendimiento Problemas con esquema tipo productorconsumidor, use colas Minimice la sincronización explícita Si con una colección retarda sus algoritmos, distribuya los datos y use varias POOL DE HILOS (Thread Pools) Hipótesis: Se desea implantar un servidor web. Enfoques posibles: Implantación de hilo simple Implantación multihebrada Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 33de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 34de Alto Nivel class ServidorWebHiloUnico public static void main(string[] args) throws IOException ServerSocket socket = new ServerSocket(80); //aquí servidor escuchando puerto 80 PATRÓN DE SERVIDOR WEB DE HILO SIMPLE while (true) Socket connection = socket.accept(); procesarsolicitud(connection); PATRÓN DE SERVIDOR WEB MULTIHEBRADO class ServidorWebMultiHebrado public static void main(string[] args) throws IOException ServerSocket socket = new ServerSocket(80); //aquí servidor a la escucha en puerto 80 //un hilo por solicitud while (true) final Socket connection = socket.accept(); Runnable task = new Runnable() procesarsolicitud(connection); ; new Thread(task).start(); //while Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 35de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 36de Alto Nivel 6

7 COMPARATIVA Servidor de hilo simple es ineficiente (hay mucha latencia) Servidor multihebrado mejora la situación Procesa múltiples solicitudes concurrentemente Mejora el rendimiento general Pero no está exento de problemas: Consumo de recursos (al crear los hilos) Estabilidad (número de peticiones elevado) Alternativa: Utilizar un pool de hilos y un ejecutor. CONCEPTO DE THREAD POOL Un pool de hilos es un conjunto de hilos inactivos a la espera de trabajo Si el programa tienen una tarea que ejecutar, la pasa al pool, que asigna un hilo para ejecutarla Una vez acabada, el hilo vuelve a quedar a la espera de trabajo Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 37de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 38de Alto Nivel EL PATRÓN DE THREAD POOL Por qué usar un THREAD POOL? Crear un hilo es costoso (latencias). Creando un pool, creamos los hilos una vez y los reutilizamos varias. Permite un mejor diseño de programas, delegando la gestión del ciclo de vida de los hilos al pool Permite paralelizar las aplicaciones si se dispone de varios procesadores Antonio Tomeu El Lenguaje API Java para y la Concurrencia Programación 39 de Concurrente Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 40 de Alto Nivel La interfaz java.util.concurrent.executor La interfaz java.util.concurrent.executor Un ejecutor es un concepto genérico, modelado por esta interfaz Proporcionan un patrón de diseño para programas multihebrados, modelándolos como una serie de tareas. Abstracción de los hilos; se crea una tarea, y se pasa al ejecutor Java 5 proporciona dos clases de ejecutores (implementan la interfaz): Ejecutor de un Thread Pool Ejecutor de tareas programadas package java.util.concurrent; public interface Executor public void execute (Runnable tarea) Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 41de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 42de Alto Nivel 7

8 La Clase ThreadPoolExecutor Sirve para crear un pool de hilos Implementa a ExecutorService El constructor: public ThreadPoolExecutor (int corepoolsize, int maximumpoolsize, long keepalivetime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workqueue); public class Tarea implements Runnable int numtarea; public Tarea(int n) numtarea = n; for (int i=1; i<100; i++) System.out.println("Esta es la tarea numero: "+numtarea+ " imprimiendo "+i); Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 43de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 44de Alto Nivel public class pruebathreadpool public static void main(string[] args) int ntareas = Integer.parseInt(args[0]); int tampool = Integer.parseInt(args[1]); ThreadPoolExecutor mipool = new ThreadPoolExecutor( tampool, tampool, 60000L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()); UN SERVIDOR DE SOCKETS CON POOL DE THREADS import java.net.*; import java.io.*; public class SocketWebServerThreadPool implements Runnable Socket enchufe; public SocketWebServerThreadPool(Socket s) enchufe = s; Tarea[] tareas = new Tarea [ntareas]; for (int i=0; i<ntareas; i++) tareas[i] = new Tarea(i); mipool.execute(tareas[i]); mipool.shutdown(); try BufferedReader entrada = new BufferedReader( new InputStreamReader(enchufe.getInputStream())); String datos = entrada.readline(); int j; int i = Integer.valueOf(datos).intValue(); for(j=1; j<=20; j++) System.out.println("Una tarea de servicio escribiendo el dato "+i); enchufe.close(); System.out.println("La tarea de servicio cierra su conexion..."); catch(exception e) System.out.println("Error..."); //run Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 45de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 46de Alto Nivel public static void main (String[] args) int i; int puerto = 2001; int ntareas = Integer.parseInt(args[0]); int tampool = Integer.parseInt(args[1]); ThreadPoolExecutor mipool = new ThreadPoolExecutor( tampool, tampool, 60000L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()); try ServerSocket chuff = new ServerSocket(puerto, 3000); while (true) System.out.println("Esperando solicitud de conexion..."); Socket cable = chuff.accept(); System.out.println("Recibida solicitud de conexion..."); mipool.execute(new SocketWebServerThreadPool(cable)); //while catch (Exception e) System.out.println("Error en sockets..."); //main EJERCICIOS Descargar y compilar Tarea.java y pruebathreadpool.java Abrir el administrador de tareas Efectuar las siguientes pruebas: java pruebathreadpool n m Para n=200 y m creciente Implante ahora un protocolo productor-consumidor con un único buffer, y un pool de 8 tareas productoras y 6 consumidoras Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 47de Alto Nivel Antonio Tomeu API Java para Concurrencia 48de Alto Nivel 8