Tema 4: Control del flujo de ejecución: Excepciones y Threads Programación Orientada a Objetos Marcos López Sanz Máster en Informática Gráfica, Juegos y Realidad Virtual MARCOS LOPEZ SANZ Excepciones Def.: Problemas que ocurren durante la ejecución de un programa o aplicación En Java: Objeto que define una situación inusual o érronea y que son lanzadas por un programa o el entorno de ejecución Tipos: Excepciones: pueden ser capturadas y manejadas por el programa en ejecución Errores: representan situaciones irrecuperables y no deberían ser capturadas Formas de actuación frente a excepciones: A. Ignorarlas B. Tratarlas donde ocurren C. Tratarlas en otro punto del programa Propagación MARCOS LOPEZ SANZ 1
Tratamiento de excepciones: Opción A: Ignorar Si una excepción no se captura el programa termina ( ended abnormally ) Toda sentencia que aparece después del punto donde se produjo el problema no se ejecuta * Se suele mostrar un mensaje descriptivo de la excepción ocurrida: Nombre de la clase de excepción Mensaje descriptivo Pila de llamadas java.lang.arithmeticexception: / by zero at Ejemplo1.main(Ejemplo1.java:5) Método donde se produjo el error Última línea ejecutada (causa) Fichero que contiene la clase MARCOS LOPEZ SANZ Tratamiento de excepciones: Opción A: Ignorar public class Ejemplo1 public static void main() int i = 10/0; java.lang.arithmeticexception: / by zero at Ejemplo1.main(Ejemplo1.java:21) MARCOS LOPEZ SANZ 2
Tratamiento de excepciones: Opción B: Captura y manejo Sentencia try-catch-finally: try Delimita un bloque de sentencias que pueden dar lugar a un error (lanzar una excepción) catch (<claseexcepcion> objexc) Bloque en el que se define cómo debe tratarse la excepción Se pueden anidar varios tipos de excepciones (de la más concreta a la más general o por orden de preferencia de tratamiento) finally Bloque de código que siempre se ejecuta Se suele utilizar para continuar la ejecución estable de un programa MARCOS LOPEZ SANZ Tratamiento de excepciones: Opción B: Captura y manejo public class Ejemplo2 public static void main() int numerador = 5; int denominador = 0; try int resultado = numerador/denominador; System.out.println("Resultado: " + resultado); catch (ArithmeticException ex) System.out.println("Error!!!!!"); finally System.out.println("Esto siempre se ejecuta"); MARCOS LOPEZ SANZ 3
Tratamiento de excepciones: Opción B: Captura y manejo public class Ejemplo3 public static void main() int numerador = 5; int[] denominador = new int[2]; try denominador[0] = 0; int resultado = numerador/denominador[2]; System.out.println("Resultado: " + resultado); catch (ArithmeticException ex) System.out.println("Error aritmético!!!!!"); catch (Exception ex) System.out.println("Error general!!!!!"); finally System.out.println("Esto siempre se ejecuta"); MARCOS LOPEZ SANZ Tratamiento de excepciones: Opción C: Propagación Propagación: consiste en capturar la excepción externamente al método en el que se produce la excepción La excepción se propaga hasta que es capturada o hasta que llega al método main (equivalente a ignorarla) public class Ejemplo3 public Ejemplo3() public static void main() Ejemplo3 obj3 = new Ejemplo3(); obj3.metodo1(); MARCOS LOPEZ SANZ 4
Tratamiento de excepciones: Opción C: Propagación public void metodo1() //try this.metodo2(); // //catch (ArithmeticException ex) System.out.println("Error aritmético!!!!!"); // public void metodo2() this.metodo3(); public void metodo3() int error = 3/0; java.lang.arithmeticexception: / by zero at Ejemplo3.metodo3(Ejemplo3.java:18) at Ejemplo3.metodo2(Ejemplo3.java:14) at Ejemplo3.metodo1(Ejemplo3.java:7) at Ejemplo3.main(Ejemplo3.java:24) MARCOS LOPEZ SANZ Jerarquía de errores y excepciones (Incompleta) Object Throwable Error Exception LinkageError ClassNotFoundException AWTError NoSuchMethodException ThreadDeath RuntimeException VirtualMachineError ArithmeticException IndexOutOfBoundsException NullPointerException MARCOS LOPEZ SANZ 5
Clases Exception y Throwable Clase Exception (java.lang): constructores: Exception () Exception (String mensaje) Exception (String mensaje, Throwable causa) Exception (Throwable causa) Clase Throwable (java.lang): clase base de Error y Exception getcause(): devuelve un objeto Throwable que representa la excepción que lo lanzó getmessage(): String con una breve descripción de la excepción (o error) printstacktrace(): String con la traza de invocaciones actuales MARCOS LOPEZ SANZ Creación y lanzamiento de excepciones Para crear una excepción personalizada hay que crear una clase que herede de Exception: public class ExcepcionPropia extends Exception public ExcepcionPropia(String mensaje) super(mensaje); Lanzamiento de excepciones (propias o predefinidas) throw refobjetoexcepcion ExcepcionPropia fallo; fallo = new ExcepcionPropia( Esto es un error ); throw fallo; El resto de sentencias no se ejecutarán MARCOS LOPEZ SANZ 6
Tipos de excepciones Tipos de excepciones: Unchecked o en tiempo de ejecución: son aquellas producidas dentro del entorno de ejecución de Java (aritméticas, puntero a null, índice no válido, etc.) Checked o no dependientes de la ejecución: son aquellas cuya causa no depende directamente del entorno de ejecución (p.ej. errores de entrada/salida) Las excepciones no dependientes de la ejecución siempre hay que capturarlas o decir que el método lanza la excepción no controlada Cuando no se captura una excepción es posible hacer que el método en el que se produce lance una excepción determinada (checked o unchecked): public void metodo3() throws ArithmeticException int error = 3/0; Es posible que un método lance más de una excepción (se separan por comas) public void escribirarrayenfichero() throws IOException, ArrayIndexOutOfBoundsException MARCOS LOPEZ SANZ Excepciones más comunes Excepciones ArithmeticException: Errores de cálculo IndexOutOfBoundsException: Índices mal usados en arrays, strings o vectores ClassNotFoundException: clase no encontrada FileNotFoundException: fichero no encontrado InvalidParameterException: El argumento pasado no es válido NullPointerException: Referencia a un objeto vacío IOException: error de entrada/salida Errores: AbstractMethodError: intento de instanciar una clase abstracta InternalError: error interno del intérprete UnknownError: error desconocido OutOfMemoryError: la máquina virtual se ha quedado sin memoria MARCOS LOPEZ SANZ 7
Threads: introducción Def 1.: Camino seguido por un programa durante su ejecución Def 2.: Sección de código ejecutado independientemente de otros hilos de ejecución en un único programa Necesidad: realizar múltiples tareas simultáneamente para obtener un objetivo o resultado Concurrencia: ante la ejecución de diferentes hilos de ejecución existe un planificador (scheduler) dentro de la máquina virtual de Java que es quien selecciona la tarea a ejecutar en cada momento. La concurrencia en java se basa en threads o procesos ligeros. En otros lenguajes o sistemas, la concurrencia se basa en una replicación de datos y código en contextos diferentes, en Java son controlados por un proceso único: la máquina virtual de Java MARCOS LOPEZ SANZ Threads: ciclo de vida EN ESPERA Parado Bloqueado destroy() Cierre E/S MUERTO Thread.sleep() interrupt() Fin de sleep() Object.wait() notify() / notifyall() Bloqueo externo al thread Respuesta de E/S o liberación del bloqeo start() VIVO Ejecutable planificador yield() En ejecución destroy() Nuevo thread Fin de run() MARCOS LOPEZ SANZ 8
Threads: definición La definición de un thread siempre está asociada a una determinada clase Dos formas: Crear una clase que herede de Thread (java.lang.thread) Implementar el interfaz Runnable Ambas opciones de creación son equivalentes: Si se usa extends la clase no puede heredar de ninguna más pero sí implementar otros interfaces Si se usa implements, la clase puede heredar de otra clase e implementar otros interfaces Método heredado: run() Corresponde al main de un thread Es público, devuelve void y no admite argumentos No se permite que lance excepciones (throw) MARCOS LOPEZ SANZ Threads: definición (ejemplos) public class PruebaThread1 extends Thread public void run() public class PruebaThread2 implements Runnable Thread th; public void run() this.th = Thread.currentThread(); MARCOS LOPEZ SANZ 9
Estados de un thread: Nuevo Thread Para la creación de un nuevo thread hay que instanciar una clase que tenga las propiedades de Runnable: PruebaThread1 th1 = new PruebaThread1( primer thread ); Se trata de una instancia que no está en ejecución, es una referencia a un futuro hilo de ejecución Sólo admite los métodos start(): inicia la ejecución del código asociado al thread y pasa al estado ejecutable stop(): deprecated. No se recomienda su uso. Pasaría a estado muerto La invocación de cualquier otro método de la clase lanzaría la excepción IllegalThreadStateEsception MARCOS LOPEZ SANZ Estados de un thread: Ejecutable/En ejecución Una vez se ha creado la referencia al thread a ejecutar y se ha lanzado el método start() ocurre lo siguiente: Se reservan los recursos necesarios para la ejecución del thread Se añade el thread a la lista de procesos seleccionables por el planificador Se invoca el método run() definido en la clase del thread cuyas sentencias se ejecutan secuencialmente Estados: Ejecutable quiere decir que el thread está a la espera de que el planificador lo lleve a ejecución En ejecución quiere decir que se están ejecutando las sentencias del thread MARCOS LOPEZ SANZ 10
Estados de un thread: Ejecutable/En ejecución Admite los siguientes métodos: sleep(msec) de la clase Thread o wait(msec) de la clase Object: en ambos casos pasa a estado parado destroy()(no implementado): pasa a estado muerto yield(): si está en ejecución pasa a estar en estado ejecutable (pierde el control del procesador y tiene que esperar a que el planificador lo elija), al revés no tiene efecto También puede pasar a estado bloqueado: Esperando por una respuesta a una operación de Entrada/Salida Entrar en una condición de sincronización MARCOS LOPEZ SANZ Estados de un thread: Parado En este estado, el thread no puede realzar ninguna operación Origen y causa de evolución de estado wait() si alguien invoca el método notify() sobre el thread o notifyall() en general sleep() cuando termine el tiempo establecido en el parámetro o si se invoca interrupt() sobre el thread En ambos casos, al salir de este estado siempre se pasa a ejecutable MARCOS LOPEZ SANZ 11
Estados de un thread: Bloqueado Se entra en este estado cuando el thread está esperando por alguna condición que es externa a la máquina virtual Normalmente son condiciones de Entrada/Salida Evolución desde este estado: A ejecutable : cuando se obtiene la respuesta de la entrada/salida A muerto : cuando se invocan los métodos stop() (deprecated) o destroy() (no implementado) o bien algún otro thread cierra el canal de E/S por el que espera el thread bloqueado MARCOS LOPEZ SANZ Estados de un thread: Muerto Condiciones de llegada Desde cualquier estado al invocar stop() (deprecated) o destroy() (no implementado) Desde ejecutable/en ejecución : se llega al final del método run() MARCOS LOPEZ SANZ 12
Threads: Prioridades y programación de tareas La ejecución simultánea de varios threads es posible en máquinas monoprocesador por la existencia de un planificador que escoge el thread a ejecutar en cada momento Todo thread tiene una prioridad en función de la cual elige el planificador: MIN_PRIORITY (0), NORM_PRIORITY (5) y MAX_PRIORITY (10) La prioridad puede ser establecida con setpriority(int prioridad) Ante una misma prioridad se elige aleatoriamente Un thread puede dejar de estar en ejecución voluntariamente invocando el método yield() MARCOS LOPEZ SANZ Threads: Resumen de métodos principales Object: wait(): bloquea un thread indefinidamente notify(): desbloquea un thread parado con wait() notifyall(): desbloquea todos los threads Thread start(): comienza la ejecución de un thread yield(): pasa del estado en ejecución a estado ejecutable sleep(int msec): bloquea el thread los miliseg. indicados interrupt(): desbloquea un thread parado con sleep() isalive(): devuelve true si un thread está en estado ejecutable/en ejecución, parado o bloqueado. false en otro caso run(): método que contiene el conjunto de sentencias a ejecutar currentthread(): devuelve un objeto thread que representa al hilo de ejecución actual MARCOS LOPEZ SANZ 13
Sincronización entre threads Necesidad: Existencia de condiciones de carrera problemas en los cuales dos o más threads están leyendo o escribiendo datos compartidos y el resultado final depende de la planificación de ejecución Problemas de sincronización: resultados de ejecución inesperados (diferentes cada vez) MARCOS LOPEZ SANZ Problemas de sincronización: Ejemplo (clase Productor) public class Productor extends Thread ObjComun destino; public Productor (ObjComun objcompartido) this.destino = objcompartido; public void run() for (int i = 0; i < 10; i++) try System.out.println ( Productor pone:"+i); destino.put(i); sleep(10); catch (InterruptedException e) MARCOS LOPEZ SANZ 14
Problemas de sincronización: Ejemplo (clase Consumidor) public class Consumidor extends Thread ObjComun origen; public Consumidor (ObjComun objcompartido) this.origen = objcompartido; public void run() for (int i = 0; i < 10; i++) try System.out.println ("Consumidor quita:"+origen.get()); sleep(10); catch (InterruptedException e) MARCOS LOPEZ SANZ Problemas de sincronización: Ejemplo (clase ObjComun) public class ObjComun public int actual, ultimo = 0; public int[] arraycomun = -1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1; public ObjComun() this.actual=0; public void put(int x) ultimo=actual; this.arraycomun[actual++]=x; public int get() return this.arraycomun[ultimo]; MARCOS LOPEZ SANZ 15
Problemas de sincronización: Ejemplo (clase principal) public class EjemploSinc public static void main() ObjComun o = new ObjComun(); Productor p = new Productor(o); Consumidor c = new Consumidor(o); p.start(); c.start(); MARCOS LOPEZ SANZ Consumidor quita: -1 Consumidor quita: -1 productor pone: 0 Consumidor quita: 0 productor pone: 1 Consumidor quita: 1 Consumidor quita: 1 productor pone: 2 Consumidor quita: 2 productor pone: 3 Consumidor quita: 3 productor pone: 4 Consumidor quita: 4 productor pone: 5 productor pone: 6 Consumidor quita: 6 productor pone: 7 Consumidor quita: 7 productor pone: 8 productor pone: 9 Sincronización y comunicación Solución: Los threads no deben acceder simultáneamente al objeto compartido hay que bloquear el acceso <visibilidad> synchronized <tipo><idmétodo>(<param.>) Mientras un thread ejecuta un método synchronized el resto de threads no puede acceder a ese objeto (estado bloqueado bloqueado por algo externo al thread) Entre varios threads colaboradores debe existir una comunicación uso de esperas (wait) y notificaciones (notify/notifyall) MARCOS LOPEZ SANZ 16
Threads: Comunicación y sincronización public synchronized int get() try while (disponible == false) wait(); catch (InterruptedException e) disponible = false; notifyall(); return this.arraycomun[ultimo]; public synchronized void put(int x) try while (disponible == true) wait(); catch (InterruptedException e) disponible = true; ultimo=actual; this.arraycomun[actual++]=x; notifyall(); MARCOS LOPEZ SANZ productor pone: 0 productor pone: 1 Consumidor quita: 0 Consumidor quita: 1 productor pone: 2 productor pone: 3 productor pone: 4 Consumidor quita: 2 Consumidor quita: 3 productor pone: 5 Consumidor quita: 4 Consumidor quita: 5 productor pone: 6 Consumidor quita: 6 productor pone: 7 Consumidor quita: 7 productor pone: 8 Consumidor quita: 8 productor pone: 9 Consumidor quita: 9 Threads: Miscelánea Diferencia entre wait() y sleep(): wait libera el bloqueo sobre el objeto, sleep no Nunca se puede hacer: objthread.run(); Deadlock: situación en la que varios threads se bloquean en espera de que el otro libere el recurso Why are Thread.stop, Thread.suspend, Thread.resume and Runtime.runFinalizersOnExit deprecated?: http://java.sun.com/j2se/1.4.2/docs/guide/misc/threadprimitivedeprecation.html Grupos de threads: Ejemplo: ThreadGroup migrupo = new ThreadGroup( migrupodethreads ); Thread th1= new Thread(miGrupo, Thread 1 ); Permite agrupar threads para poder lanzarles mensajes a todos a la vez: migrupo.interrupt(); MARCOS LOPEZ SANZ 17
Threads: Excepciones asociadas a threads SecurityException: lanzada cuando no se puede lanzar un método sobre un thread determinado por no tener permisos sobre él InterruptedException: lanzada cuando se desbloquea un thread parado con sleep() IllegalThreadStateException: lanzada cuando se intenta lanzar start() sobre un thread ya inicializado MARCOS LOPEZ SANZ Ejercicio Implementar la clase ColaDeEnteros (capacidad máxima 500) en la cual los métodos poner() y quitar() están sincronizados. Crear 2 clases de acceso a la ColaDeEnteros. Los objetos de ambas clases se identifican por un número entero. Generador: Inserta elementos en la cola siempre que haya menos de 10 enteros y hasta que se llena. En caso contrario, espera. Impresora: Lee e imprime por pantalla los elementos de la cola siempre que haya elementos. Si no hay elementos, espera. Completará 150 iteraciones. Parte A: crear 1 objeto Generador y 1 objeto Impresora. Cada uno completará 100 iteraciones Parte B: crear 5 objetos Generador y 5 objetos Impresora. Cada uno completará 50 iteraciones. Los generadores comenzarán por el número que les identifique como generador x100 MARCOS LOPEZ SANZ 18
Bibliografía Java software solutions, foundations of program design (3rd edition). J. Lewis & W. Loftus. Ed. Addison-Wesley, 2004. Cap. 8 (pp. 448-460) Java and Object Orientation: an introduction. J. Hunt. Ed. Springer- Verlag, 1998. Cap. 25 (pp. 319-317) Java threads (2nd edition). S. Oaks & H. Wong. Ed. O Reilly, 1999. Big Java: programming and practice. C. Horstmann. Ed. John Wiley & Sons, 2002. Cap. 14 y 21. http://java.sun.com/j2se/1.4.2/docs/api/java/lang/ Throwable.html Exception.html Error.html Thread.html MARCOS LOPEZ SANZ 19