Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 1 Основы программирования на языке Java Стандартная библиотека Java: java.net; Многопоточное программирование

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 2 Ключевые слова – статус Ключевые слова, которые уже известны на текущий момент: abstractdefaultifprivatethis boolean doimplementsprotectedthrow breakdouble importpublicthrows byteelseinstanceofreturntransient caseextendsintshort try catchfinalinterfacestaticvoid char finally longstrictfpvolatile class float native super while const for new switch continue goto package synchronized

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 3 Сетевое взаимодействие – стек протоколов Сетевая модель DoD (Internet):

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 4 Взаимодействие в Internet

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 5 Работа с сетью Для работы с сетью используется пакет java.net, предоставляющий средства: адресации в Internet (InetAddress, + средства java 1.4: Inet4Address, Inet6Address, InetSocketAddress, SocketAddress) работы с протоколом TCP (Socket, ServerSocket, SocketOptions) работы с протоколом UDP (DatagramSocket, DatagramPacket, MulticastSocket) работы с URL и поддержки HTTP (URL, URLConnection, HttpURLConnection, JarURLConnection, URLDecoder, URLEncoder, ContentHandler, URLStreamHandler) авторизации в Internet (Authenticator, PasswordAuthentication) динамической загрузки классов из сети (URLClassLoader)

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 6 Исключения пакета java.net

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 7 Параллельный TCP сервер import java.net.*; import java.io.*; public class TCPServer { public static void main(String[] args) throws IOException { //Создаем новый серверный Socket на порту 2048 ServerSocket s = new ServerSocket(2048); while (true) { Socket clientSocket = s.accept(); //принимаем соединение System.out.println("Получено соединение от:"+clientSocket.getInetAddress() +":"+clientSocket.getPort()); //Создаем и запускаем поток для обработки запроса Thread t = new Thread(new RequestProcessor(clientSocket)); System.out.println("Запуск обработчика..."); t.start(); }

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 8 Параллельный TCP сервер - продолжение class RequestProcessor implements Runnable { Socket s; //Точка установленного соединения RequestProcessor(Socket s) { this.s = s; } public void run() { try { InputStream input = s.getInputStream(); BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input)); OutputStream output = s.getOutputStream(); OutputStreamWriter writer = new OutputStreamWriter(output); String line = ""; while ( true ) { System.out.println("Ожидаем строку..."); line = reader.readLine(); if (line == null) break; System.out.println("Получена строка:"+line); writer.write("ответ от:"+s.getLocalAddress()+":"+s.getLocalPort() +" для:"+s.getInetAddress()+":"+s.getPort()+" : "+line+"\n"); writer.flush(); } writer.close(); System.out.println("Обработчик завершил работу"); } catch (IOException ex) { ex.printStackTrace(); }

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 9 TCP Клиент для сервера import java.io.*; import java.net.*; public class TCPClient { public static void main(String[] args) throws IOException { Socket s = new Socket(" ",2048); OutputStreamWriter writer = new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()); BufferedReader consoleReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)); BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream())); String line = ""; do { System.out.print("Введите строку:"); line = consoleReader.readLine(); if (line.equalsIgnoreCase("exit")) break; writer.write(line+"\n"); writer.flush(); line = reader.readLine(); System.out.println("Получен ответ:" + line); } while (true); writer.close(); }

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 10 Многопоточное программирование Системы с одним потоком используют подход, называемый циклом обработки событий с буферизацией (event loop with pooling) Единовременно может обрабатываться только одно событие При блокировке потока прекращается работа всей программы В системах с многими потоками главный цикл и механизм буферизации не нужен: Единовременно возможна обработка нескольких событий Блокировка одного потока не влияет на работу других потоков Поток может находится в нескольких состояниях: running, ready to run, suspended, resumed, blocked, stopped, terminated Переключение потоков (context switch) происходит на основе динамически изменяющихся приоритетов (preemptive multitasking) либо на добровольной основе Для синхронизации потоков используются мониторы

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 11 Классы для реализации многопоточности

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 12 Создание потоков реализация интерфейса Runnable порождение от класса Thread class MyRunnable implements Runnable { public void run() { //execution starts here } … Runnable target = new MyRunnable(); Thread t = new Thread (target, one); t.start(); class MyThread extends Thread { public void run() { //execution starts here } … MyThread t = new MyThread(); t.setName(two); t.start(); Для получения текущего потока нужно воспользоваться Thread.currentThread()

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 13 Мониторы и синхронизация потоков С каждым объектом ассоциирован монитор, который можно использовать для синхронизации доступа к объекту В один момент времени только один поток может обладать монитором объекта Монитор объекта захватывается с помощью вызова синхронного метода либо в синхронном блоке: class MyClass { public synchronized void doIt() { … } … MyClass obj = new MyClass(); obj.doIt(); //Захват монитора obj class AnotherClass { public void doIt() {…} } … AnotherClass obj = new AnotherClass(); //Захват монитора obj synchronized (obj) { obj.doIt(); }

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 14 Освобождение монитора Монитор объекта освобождается автоматически по завершению выполнения синхронизированного метода или блока Монитор может быть освобожден добровольно с помощью вызова на объекте методов wait(), wait(…). При этом вызвавший метод поток блокируется. Для того чтобы воспользоваться семейством методов wait нужно захватить монитор объекта Методы notify() и notifyAll() позволяют возобновить исполнение потока(ов) заблокированного(ых) на мониторе объекта с помощью вызова метода из семейства wait() Для того чтобы вызвать notify или notifyAll нужно захватить монитор объекта Вызов метода notify() приведет к пробуждению первого попавшегося блокированного на объекте потока по завершению синхронизированного метода или блока в котором вызван notify()

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 15 Пример синхронизации потоков class Store { int count; public synchronized void put() { count++; notify(); } public synchronized void get() { while (true) if (count > 0) { count--; return; } else try { wait(); } catch (InterruptedException e){…} } class Consumer extends Thread { Store s; Consumer (Store s) {super();this.s=s;} public void run() { s.get(); } class Producer extends Thread { Store s; Producer (Store s) {super();this.s=s;} public void run() { s.put(); } public static void main(…) { Store s = new Store(); Consumer c = new Consumer(s); Producer p = new Producer(s); c.start(); p.start(); }

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 16

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 17 Взаимная блокировка (deadlock) Поток T1 захватывает монитор объекта X Поток T2 захватывает монитор объекта Y Поток T1 пытается вызвать синхронизированный метод объекта Y и, таким образом, блокируется Поток T2 пытается вызвать синхронизированный метод объекта X и также блокируется T1 и T2 оказываются в состоянии deadlock В сложном случае в состояние взаимной блокировки могут оказаться несколько потоков на нескольких мониторах объектов. Такую ситуацию очень сложно отлаживать

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 18 Управление потоками Для управления потоком служат следующие методы класса java.lang.Thread: start() – запускает поток на исполнение interrupt() – прерывает исполнение потока. Поток может перехватить исключение InterruptedException pause() – приостанавливает исполнение потока (deprecated). Поток не освобождает захваченные мониторы resume() – возобновляет исполнение потока (deprecated) stop() – останавливает поток (deprecated). Поток освобождает захваченные мониторы destroy() – разрушает поток (not implemented) sleep() – приостанавливает исполнение потока на определенное время join() – ожидает завершения потока

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 19 Почему pause() и resume() небезопасны Если поток T1 приостановлен с помощью pause() в момент, когда он захватил монитор объекта X, то монитор объекта остается захваченным. Если окажется что другому потоку T2, который должен возобновить работу T1 с помощью resume(), также понадобится монитор объекта X, то потоки окажутся во взаимной блокировке. Поэтому pause() и resume() объявлены deprecated и не должны использоваться. Вместо вызова pause() и resume() можно заставить поток, которым нужно управлять, проверять значение какой ни будь переменной в которую можно заносить значение соответствующее желаемому состоянию потока. Синхронизацию можно обеспечить с помощью монитора объекта и вызовов wait(), notify().

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 20 Почему небезопасен метод stop() Вызов метода stop() заставляет поток освободить захваченные мониторы Если с помощью мониторов был защищен какой-ни будь ресурс (объект), то на момент вызова stop этот ресурс (объект) может оказаться в не консистентном состоянии При этом другие потоки могут получить доступ к этому ресурсу что скорее всего приведет к некорректной работе программы. Поэтому метод stop() объявлен deprecated Вместо использования stop() можно, как и в случае с методами pause() и resume(), воспользоваться специальной переменной, которая должна хранить желаемое состояние потока. Поток должен проверять значение этой переменной и принимать решение о дальнейшей работе на основании этого значения.

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 21 Пул потоков (thread pool) Поток является относительно дорогим ресурсом и его создание может быть сопряжено со значительными накладными расходами При разработке программ – серверов зачастую возникает необходимость в параллельной обработке задач или запросов, при этом создание потока каждый раз, когда это нужно оказывается неэффективной стратегией. Для решения подобной проблемы можно воспользоваться «пулом потоков». Пул потоков содержит несколько потоков готовых к работе, которых можно использовать по мере необходимости Пул потоков должен обеспечивать: возможность быстрого выделения потока для работы возможность высвобождения потока систему оповещения о статусе выполняемых задач (для обеспечения обратной связи)

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 22 Пример реализации пула потоков

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 23

Новосибирск, 2004 (С) Всеволод Рылов, все права защищены 24 Работа потоков с памятью