CONCEPTES AVANÇATS DE SISTEMES OPERATIUS Seminaris de CASO, curs 00/01 - 2Q

<Noms i emails>

Multithreading in Java

Elisa Gonzalez Boix(h9270486@est.fib.upc.es)

Anna Mª Guitart Carrera(e4193594@est.fib.upc.es)

Jose Ramon Romera Cabezas(e6680166@est.fib.upc.es)

Cristina Santos Calles (e6965476@est.fib.upc.es)

SEMINARIS DE CASO

2

Índex

– Introducció– Creació– Estats d’un thread– Scheduling– Sincronisme– Excepcions– Modelo de hilos en Java– Thread en Linux con Java

SEMINARIS DE CASO

3

Introducció(I) Java és més que un llenguatge de programació: qualsevol

programa en Java pot correr en qualsevol máquina on estigui implementada i intal.lada la Java Virtual Machine (JVM).

Des dels inicis de Java es va pensar disenyar un llenguatge orientat a objectes multitarea.

Quan “s’inicia” la JVM, es crea un nou procés . Dintre d’ell podran correr diversos threads.

Java proporciona dos models de manegar els threads:– Green (Implementació feta a nivell usuari)– Native (Crides es mapejen a la plataforma que hi hagi al sistema)

SEMINARIS DE CASO

4

Introducció (II) Java proposa un sistema robust i simple per crear,

configurar i executar threads:– Molt poques intruccions per managar-ho.

• Advantages: Facititat d’ús i de revisió de codi (s’evitaran més facilment deadlocks i inanicions).

• Inconvenients: Menor fexibilitat

– Dos maneres de crear-los. Millor interacció amb l’usuari:

– Un programa que usi una interficie gràfica, la JVM automàticament crea un thread per l’execució de mètodes i un pel dibuix de finestres.

SEMINARIS DE CASO

5

Creació(I) Passos a seguir per extendre la classe Thread :

– Extendre la classe java.lang.Thread• public class MyThread extends Thread {

… }

– Sobreescriure el mètode run() a la subclasse• public void run(){

System.out.println( getName()); }

– Crear una instància d’aquesta subclasse• Thread thread1= new MyThread();

– Invocar el mètode start() a la instancia.• thread1.start();

SEMINARIS DE CASO

6

Creació(II) Exemple: public class MyThread extends Thread{

public void run(){

System.out.println(getName());

}

}

public static void main(){

Thread t= new MyThread();

t.start;

}

SEMINARIS DE CASO

7

Creació(III)

Extenent la classe Thread es poden heretar mètodes i variables de la classe pare. Però, per restriccions del Java, només es pot extendre una vegada de la classe pare.

Aquesta serà l’opció que s’usarà, normalment, quan creem alguna classe que ninguna altra hereti d’ella.

Però, en alguns casos ens interessarà extendre alguna de les funcionalitats a altres classes. Llavors, haurem de dotar de la qualitat de thread mitjançant interfície Runnable.

SEMINARIS DE CASO

8

Creació(IV) Passos a seguir per implementar la interfície Runnable:

– Definir la capçalera de la classe que implementa la interfície Runnable.

• public class nom_classe extends nom_clase_a_heretar implements

Runnable{

…. }

– Implemetar el mètode run() i un objecte de tipo Thread que contingui el codi del fluxe concurrent que volem crear.

• public void run(){

…}

SEMINARIS DE CASO

9

Creació(V)– El constructor de la classe Thread rebra un argument que ha de

ser una instància de la classe que implementa la interface Runnable.

Exemple:public class ThreadTest{

public static void main(String args[]{ Xyz r = new XYZ();

Thread t = new Thread( r );

}

}

class Xyz implements Runnable {

int i;

SEMINARIS DE CASO

10

Creació(VI)

public void run(){

while (true){

System.out.println(“Hello” + i++);

if (i==50) break;

}

}

}

SEMINARIS DE CASO

11

Estats d’un thread (I) Durant la seva vida, un thread pot trobar-se en diferents

estats:

Bloqueado en la cola wait de un

objeto

Bloqueado en la cola de

bloqueados

En ejecución

Muerte

Otras causas de bloqueo

ejecutable

nuevo

Start()

Sleep() o

thread join() s o

interrupt()

Sleep

o

join

Run()completes

Synchronized()Lock available

Notify()interrupt()

wait()

SEMINARIS DE CASO

12

Estats d’un thread (II):Nou Thread

En aquest estat és un thread buit. El sistema no ha designat cap recurs per ell. En aquest estat

– s’arrenca amb start()– qualsevol altre mètode genera una excepció de tipus :

IllegalThreadStateException

SEMINARIS DE CASO

13

Estats d’un thread (III):Parada

S’hi arriba:– Amb la invocació dels mètodes:

• join() sobre un altre thread

• Sleep()

– Quan el thread es bloqueja per E/S– Quan el thread crida wait()

Recuperació a l’estat executable:

– Si està a E/S en acabar l’execució de la comanda d’E/S– Si està adormit passat el temps especificat– Si ha fet un join quan acabi el procés sobre el que ha fet el join

SEMINARIS DE CASO

14

Estats d’un thread (IV): Parada

Recuperació a l’estat executable– Si un thread està esperant per una condició, cada cop que la

variable que controla la condició varïi s’ha de fer un notify() o notifyAll()

SEMINARIS DE CASO

15

Estats d’un thread (V): Mort

S’hi arriba:– Quan s’acaba l’execució del run()– Invocant el mètode destroy() del thread

SEMINARIS DE CASO

16

Scheduling (I)

Java té un Scheduler:– Llista de processos que monitoritza tots els threads que s’estan

executant en tots els programes.– Decideix quins threads s’executen i quins es troben preparats per

a l’execució, en funció de:• Prioritat del thread

• Indicador daemon del thread.

SEMINARIS DE CASO

17

Scheduling(II)

L’scheduler pot seguir un patró preemptiu o no-preemptiu– patró preemptiu: l’scheduler proporciona un segment de temps a

cada thread per utilitzar el sistema. En passar l’interval de temps li treu el sistema i el cedeix a un altre thread.

– patró no-preemptiu:El thread té assignat el sistema fins que acaba l’execució o fa un E/S, yield() o sleep().

SEMINARIS DE CASO

18

Scheduling(III):Prioritats

El rang de prioritats oscil.la entre 1 i 10 La prioritat per defecte d’un thread és NORM_PRIORITY

(prioritat de 5) MIN_PRIORITY (prioritat de 1) MAX_PRIOROTY (prioritat de 10) Mètode getPriority() per conèixer el valor actual de la

prioritat del thread.

SEMINARIS DE CASO

19

Scheduling(IV):Threads daemon

S’anomenen també serveis S’executen amb prioritat baixa i proporcionen un servei

bàsic a un programa quan l’activitat de la màquina és reduida

Exemple: garbage_collector setDaemon() per passar a ser daemon (abans de l’start()) isDaemon() per saber si és daemon.

SEMINARIS DE CASO

20

Excepcions(I)

Les excepcions ens proporcionen una manera senzilla de matar un thread des d’un altre.

Es generen des d’un punt del codi i ascendeixen als pares d’aquest codi.

Si no es tracten donen un error en temps d’execució i el programa finalitza.

Acaba éssent difícil de controlar, no aconsellable usar en programes grans.

SEMINARIS DE CASO

21

Sincronització(I)

mètodes: – wait():

• El mètode wait() es heretat de la classe Object.

• Proporciona la posibilitat de comunicació entre Threads.

• Utilització:– Si un thread executa el metode wait d’un objecte, el thread es

bloquejarà en la “cua” d’aquest objecte.– El thread no es desbloquejarà fins que un altre thread executi el

mètode notify() o notifyAll()

• Detalls:– L’ordre de bloqueix és irrellevant a l’hora d’extreure de la cua.

SEMINARIS DE CASO

22

Sincronització(II)

mètodes: – notify():

• El mètode notify() es heretat de la classe Object.

• Proporciona la posibilitat de comunicació entre Threads.

• Utilització:– Si un thread executa el métode notify() d’un objecte, el thread es

desbloquejarà un element de la “cua” d’aquest objecte.

• Detalls:– Els elements de la cua no segueixen cap ordre segons l’inserció, així

doncs no podem fer cap suposició sobre el thread que es desbloquejarà.

SEMINARIS DE CASO

23

Sincronització(III)

mètodes: – notifyAll():

• El mètode notify() es heretat de la classe Object.

• Proporciona la posibilitat de comunicació entre Threads.

• Serveix per desbloquejar tots els threads bloquejats al objecte.

SEMINARIS DE CASO

24

Sincronització(IV)

mètodes: – join():

• El mètode join() es heretat de la classe thread.

• Proporciona la posibilitat de comunicació entre Threads.

• Utilizació:– Bloqueix el thread actual fins que el thread sobre el que s’ha executat

el join() termini.

SEMINARIS DE CASO

25

Modelo de hilos en JAVA(I)

Modelo de programación con hilos en JAVA:– No tenemos el control sobre el modelo de manejo de hilos.– Los detalles se establecen entre JVM y el sistema operativo.– La eleccion del modelo puede ser impuesta por el usuario

• –green

• –nativeEsto fuerza a escribir codigo mas portable( ventaja, desventaja ).

Espacio para manejo de hilos– Java proporciona dos modelos:

• GREEN

• NATIVE

SEMINARIS DE CASO

26

Modelo de hilos en JAVA(II)

GREEN – Tienen la API definida por Sun ( igual para todas las plataformas ) – Su implementacion esta hecha con hilos en espacio de usuario.

NATIVOS– Se implementan con el API proporcionada por la plataforma nativa– Windows y Solaris proporcionan API nativa propietarias– Otras plataformas de UNIX proporcionan la API pthreads de POSIX P1003.1c

(ISO)– El nivel de implementacion suele ser a nivel Kernel, aunque existen

implementaciones a nivel Usuario ( primeras implementaciones en HP-UX )

SEMINARIS DE CASO

27

Modelo de hilos en JAVA(III)

Preempción– DEF: Capacidad del planificador para interrumpir un hilo y introducir otro a

ejecutar– Java no requiere preempcion necesariamente, dependera de la

implementacion.– Por dicha razon tenemos dos modelos de control de hilos:

• Modelo donde no hay preempcion y por lo tanto el bloqueo del hilo es voluntario: explicitamente ( read() ... ), implicitamente ( Thread.yield() o Thread.sleep()).

• Modelo donde el hilo puede ser interrumpido en cualquier momento, con lo que se hace necesario el uso de mecanismos de sincronizacion.

SEMINARIS DE CASO

28

Modelo de hilos en JAVA(IV)

SEMINARIS DE CASO

29

Threads en linux con JAVA(I)

Introducción:– Linux incluye la biblioteca POSIX pthread, totalmente operativa.– Toda aplicacón que utilice dicha biblioteca esta utilizando threads

en el kernel con preempción.– En Linux la alternancia de threads en el kernel es equiparable a la

de espacio usuario, con lo que no se hace necesario modelo en espacio usuario o hibrido.

– El mecanismo de manejo de threads se construye con una única llamada a sistema _clone( ), dicha llamada no es visible a programadores JAVA ni es recomendable su utilización en C/C++ (poco transportable).

SEMINARIS DE CASO

30

Threads en linux con JAVA(II)

Introducción:– Debido a la utilizacion de la llamada _clone, cada thread tendrá un

ID de proceso , con lo que tendremos 2 consecuencias:• El proceso Multithread se muestra con muchas entradas en la lista de

procesos ( comando shell ps ), la identificacion entre threads se hace difícil, aunque se pueden intuir mirando :

– /proc/<pid>/maps ( mapa de la zona de memoria ), donde los hilos relacionados tendran un mapa identico

– /proc/<pid>/status los valores contenidos seran iguales para todos los Vm* .

– /proc/<pid>/ environ o /proc/<pid>/fds , tendran datos iguales

SEMINARIS DE CASO

31

Threads en linux con JAVA(III) Introducción:

– La tabla de procesos tiene un espacio limitado por defecto a 256 entradas por usuario y 512 en total.

– Tendríamos limitado el nº de threads,• Aunque se puede aumentar si modificamos en el fichero

include/linux/tasks.h los valores de:– NR_TASKS y – MAX_TASKS_PER_USER,

entonces podremos soportar hasta 4092 procesos en entornos de

Linux ( x86 ) MAKE.

• Aunque podremos personalizar nuestro kernel el hecho de utilizar muchos threads es signo de programación perezosa y puede llevar a un colapso utilizar metodo de encolamiento.

SEMINARIS DE CASO

32

Threads en linux con JAVA(IV)

Preempcion de hilos en linux– Dado el numero de versiones que hay de la JVM, las posibilidades

son diversas:• El puerto Blackdown JDK ofrece el manejo de hilos green y nativos:

– La version nativa utiliza una planificacion con preempcion– La version de hilos green no la utiliza

• Otros entornos como Kaffe y gcj pueden variar su comportamiento segun las opciones elegidas en tiempo de configuracion

SEMINARIS DE CASO

33

Threads en linux con Java(V)

Prioridades de hilos– Las prioridades no tienen efecto bajo e JDK en Linux, aunque

permite un cierto control sobre prioridades, pero eso solo es posible para procesos ejecutados como usuario root.

– El Blackdown ni siquiera intenta establecer prioridades.

SEMINARIS DE CASO

34

Bibliografia

API JDK 1.3 Manual de usuario y tuturial Java 2

– Agustin Froufe , Ed Ra-Ma Curso de Java avanzado

– Jedi