Java: Föreläsning 4

Av Thomas Padron-McCarthy (Thomas.Padron-McCarthy@tech.oru.se). Senaste ändring 5 november 2003.

Ungefär motsvarande föreläsningsanteckningar från förra året: Tråd- och nätverksdelarna av java013.pdf

Innehåll i föreläsning 4

Trådar
Nätverkskommunikation

Trådar

Olika typer av parallell exekvering:

Processer = flera exekeverande "programinstanser" ("multitasking")
Trådar = inom en enda "programinstans", gemensam minnesrymd ("mulithreading")

Olika typer av parallell exekvering:

Tidsdelning av operativsystemet
Tidsdelning av språket (OS:et ser bara en tråd)
Äkta parallellitet = flera fysiska processorer

Moderkort för en fysisk processor

Moderkort för två fysiska processorer

Riktigt tråkigt exempel

Filen BoringThread.java:

public class BoringThread extends Thread {
    public void run() {
        while (true)
            ;
    } // run

    public static void main(String[] args) {
        BoringThread t1 = new BoringThread();
        t1.start();
        BoringThread t2 = new BoringThread();
        t2.start();
    } // main
} // class BoringThread

Metod:

Låt klassen som ska vara en tråd ärva från Thread
Anropa start så att tråden startar
Javas "trådmaskineri" kommer att anropa run, där tråden sen gör det den ska
När run har klart och returnerar, dör tråden

Tänk på att main-metoden i koden ovan egentligen inte har med en BoringThread-tråd att göra, trots att den är deklarerad i den klassen. Den måste bara stoppas in någonstans, och när vi nu har en klass är det onödigt att göra en extra klass bara för att main ska ligga där.

Aningen mindre tråkigt exempel

Filen BoringThread2.java:

public class BoringThread2 extends Thread {
    static int numberOfThreads = 0;
    int threadNumber = ++numberOfThreads;

    public void run() {
        int nrReps = 0;
        while (true) {
            System.out.println("Tråd " + threadNumber + " har kört " +
                               ++nrReps + " varv i loopen.");
        }
    } // run

    public static void main(String[] args) {
        BoringThread2 t1 = new BoringThread2();
        BoringThread2 t2 = new BoringThread2();
        t1.start();
        t2.start();
    } // main
} // class BoringThread2

Körexempel:

Tråd 1 har kört 1 varv i loopen.
Tråd 1 har kört 2 varv i loopen.
Tråd 1 har kört 3 varv i loopen.
  1296 rader från tråd 1 strukna
Tråd 1 har kört 1300 varv i loopen.
Tråd 1 har kört 1301 varv i loopen.
Tråd 1 har kört 1302 varv i loopen.
Tråd 2 har kört 1 varv i loopen.
Tråd 2 har kört 2 varv i loopen.
Tråd 2 har kört 3 varv i loopen.
Tråd 2 har kört 4 varv i loopen.
Tråd 2 har kört 5 varv i loopen.
Tråd 2 har kört 6 varv i loopen.
Tråd 2 har kört 7 varv i loopen.
Tråd 2 har kört 8 varv i loopen.
Tråd 2 har kört 9 varv i loopen.
Tråd 2 har kört 10 varv i loopen.
Tråd 1 har kört 1303 varv i loopen.
Tråd 1 har kört 1304 varv i loopen.
Tråd 1 har kört 1305 varv i loopen.
  4195 rader från tråd 1 strukna
Tråd 1 har kört 5501 varv i loopen.
Tråd 1 har kört 5502 varv i loopen.
Tråd 1 har kört 5503 varv i loopen.
Tråd 2 har kört 11 varv i loopen.
Tråd 2 har kört 12 varv i loopen.
Tråd 2 har kört 13 varv i loopen.
...

Lärdom: En tråd körs när Java-maskinen får lust. Skriv inte trådade program som bygger på att saker ska köras i någon viss ordning. (I alla fall inte utan att synkronisera trådarna, så de garanterat körs så.)

Exempel på tillämpningar

Prestanda, om man har flera fysiska processorer
Enklare programmering
- Kommunikation med flera olika saker (server, användare, flera klienter)
- Göra flera saker: vänta på data från servern och köra GUI

Ännu ett trådexempel

En trådklass Presenter (som i presenterare på engelska, inte julklappar) presenterar en textsträng. Presentation förskjuts åt höger. Tre presenterartrådar körs parallellt: en var 100:e ms, en var 200:e, en var 300:e. Filen Presenter.java:

public class Presenter extends Thread {
    private String message;
    private double sleepTime;
    private int steps;

    public Presenter(String message, double sleepTime) {
        this.message = message;
        this.sleepTime = sleepTime;
        this.steps = 0;
        start();
    }

    public void run() {
        while (true) {
            for (int i = 0; i < this.steps; ++i)
                System.out.print(" ");
            ++this.steps;
            System.out.println(this.message);
            try {
                Thread.sleep((int)(this.sleepTime * 1000));
            }
            catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("Oj! Sömnen avbruten!");
            }
        }
    } // run

    public static void main(String[] args) {
        Presenter t1 = new Presenter("Turbo", 0.1);
        Presenter t2 = new Presenter("Svensson", 0.2);
        Presenter t3 = new Presenter("Skalman", 0.3);
    } // main
} // class Presenter

Körexempel:

Turbo
Svensson
Skalman
 Turbo
 Svensson
  Turbo
 Skalman
   Turbo
  Svensson
    Turbo
     Turbo
  Skalman
   Svensson
      Turbo
       Turbo
    Svensson
        Turbo
   Skalman
         Turbo
     Svensson
          Turbo
           Turbo
    Skalman
      Svensson
            Turbo
             Turbo
       Svensson
              Turbo
     Skalman
               Turbo
        Svensson
                Turbo
                 Turbo
      Skalman
         Svensson
                  Turbo
                   Turbo
          Svensson
                    Turbo
       Skalman
...

Ett problem med trådad programmering

Ibland kan det bli konstiga utskrifter:

Det beror på att utskrifterna i två trådar kan råka komma samtidigt, och blandas med varandra.

Synkronisera. En lösning:

    public void run() {
        while (true) {
            synchronized ("fnord") {
                for (int i = 0; i < this.steps; ++i)
                    System.out.print(" ");
                ++this.steps;
                System.out.println(this.message);
            }
            try {
                Thread.sleep((int)(this.sleepTime * 1000));
            }
            catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("Oj! Sömnen avbruten!");
            }
        }
    } // run

Det finns ett "synchronized-lås" per Java-objekt. En strängliteral i ett Java-program (som "fnord") är ett enda, unikt objekt.

Gränssnittet Runnable

Ovan ärvde vi från Thread. Men om vi inte kan det, för att vi måste ärva från något annat, till exempel Applet? (Java har ju inte multipelt arv.)

Lösning: Implementera gränssnittet Runnable, som bara säger att det måste finnas en run-metod.

Filen BoringRunnable.java:

public class BoringRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        while (true)
            ;
    } // run

    public static void main(String[] args) {
        BoringRunnable r1 = new BoringRunnable();
        Thread t1 = new Thread(r1, "Tråd 1");
        t1.start();
        BoringRunnable r2 = new BoringRunnable();
        Thread t2 = new Thread(r2, "Tråd 2");
        t2.start();
    } // main
} // class BoringRunnable

Metod:

Låt klassen som ska köras som en tråd implementera Runnable
Skapa ett Thread-objekt "runt" Runnable-objektet:
Thread t1 = new Thread(r1, "Tråd 1");
Nu kan man anropa start, precis som när man ärvt från Thread

Trådar i Java

En del av språket. Inte flera olika extra bibliotek, som i C++.
Den virtuella Java-maskinen hanterar trådarna, även mot operativsystemet
Klassen Thread
Gränssnittet Runnable
Nyckelordet synchronized för att styra samtidig åtkomst

En tråds tillstånd

Skapad (New): skapad, men har ännu ej börjat exekvera
Körbar (Runnable): kan köras, men den kanske inte körs just nu
Död (Dead): run-metoden har avslutats
Blockerad (Blocked): väntar på I/O, väntar på synchronized-lås, har anropat sleep eller har anropat wait

synchronized

Då kod inte får avbrytas, typiskt vid samtidig access av data. Exempel:

Buffer innehåller data, som man kan lägga in och plocka ut
Tråden WriterThread lägger in data i bufferten
Tråden ReaderThread hämtar data ur bufferten

En tråds arbete får inte avrbytas mitt i, för data kan vara i ett inkonsistent tillstånd! Filen BufferExample.java (utan felkontroll):

class Buffer {
    private String[] queue;
    private int number;

    public Buffer (int size) {
        queue = new String[size];
        number = 0;
    } // Buffer

    public synchronized void put(String str) {
        queue[number++] = str;
    } // put

    public synchronized String get() {
        String s = queue[0];
        for (int i = 1; i < number; ++i)
            queue[i - 1] = queue[i];
        --number;
        return s;
    } // get
} // class Buffer

class WriterThread extends Thread {
    Buffer b;
    public WriterThread(Buffer b) {
        this.b = b;
    }
    public void run() {
        int nrReps = 0;
        while (true) {
            String s = "Sträng nummer " + ++nrReps;
            System.out.println("WriterThread: Lagrar " + s);
            b.put(s);
        }
    } // run
} // class WriterThread

class ReaderThread extends Thread {
    Buffer b;
    public ReaderThread(Buffer b) {
        this.b = b;
    }
    public void run() {
        while (true) {
            String s = b.get();
            System.out.println("ReaderThread: Hämtade " + s);
        }
    } // run
} // class ReaderThread

public class BufferExample {
    public static void main(String[] args) {
        Buffer b = new Buffer(100);
        WriterThread w = new WriterThread(b);
        ReaderThread r = new ReaderThread(b);
        w.start();
        r.start();
    } // main
} // class BufferExample

wait och notify

Ovanstående exempel (BufferExample) kraschar efter en stund, antingen för att kön blir överfull eller "undertom". Både get och put måste kolla antalet element i kön, och kanske vänta på den andra tråden!

wait väntar
notify säger åt en väntande tråd att den kan köra vidare
notifyAll om man har flera väntande trådar

Tänk på att wait släpper synchronized-låset!

Ur filen NotifyExample.java:

    public synchronized void put(String str) {
        while(number == queue.length) {
            try {
                System.out.println("Buffer.put: Väntar...");
                wait();
            }
            catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("Buffer.put: Oj!");
            }
        }
        queue[number++] = str;
        notify();
    } // put

    public synchronized String get() {
        while(number == 0) {
            try {
                System.out.println("Buffer.get: Väntar...");
                wait();
            }
            catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("Buffer.get: Oj!");
            }
        }
        String s = queue[0];
        for (int i = 1; i < number; ++i)
            queue[i - 1] = queue[i];
        --number;
        notify();
        return s;
    } // get

Java och nätverk

Java har bra stöd i språkets klassbibliotek för nätverkskommunikation. Jämför med C och C++, där språken i sig inte säger något om nätverk, utan man får använda operativsystemets funktioner och bibliotek. Det kan vara helt olika i olika operativsystem.

TCP/IP

Bakgrund. Inte på tentan.

En modell för nätverkskommunikation. Modellen har fyra nivåer, och på varje nivå kan det finnas flera olika protokoll. Ett protokoll är en samling regler för hur t. ex. kommunikation ska gå till.

Applikationslager: http, ftp, smtp mm
Transportlager (flöde av data mellan två datorer): TCP (= uppkopplade socketar), UDP (= lösa paket, "datagram")
Nätverkslager (skickar paket): IP, ICMP, IGMP
Länklager: drivrutiner, nätverkskort

De övre nivåerna bygger på de lägre. Om man till exempel hämtar en webbsida med sin webbläsare, är det förstås i grunden hårdvara, med dess drivrutiner, som används, dvs länklagret. Nätverkslagret använder länklagret för att skicka IP-paket. Transportlagret, här TCP, fyller IP-paketen med data, och skickar dem till rätt dator. Applikationslagret, här HTTP, bestämmer vilka data som ska skickas.

Ett IP-paket innehåller IP-adressen på den dator det ska till:

Inuti IP-paketet kan man stoppa in ett data, med TCP-headrar. Headrarna innehåller till exempel numret på den port som datat ska till:

Portar

Bakgrund. Inte på tentan.

Mjukvaruportar (det går ju bara en sladd in i datorn!)
En server lyssnar på en viss port
"Porten är öppen" = det finns en process som lyssnar, och svarar på tilltal, på den porten
Portar identifieras av portnummer (16 bitar, dvs upp till 65535)
Portarna kan också få textsträngsnamn (ex: smtp = 25, ssh = 22, http = 80)
Portarna 1-1023 är reserverade, kallas "Well Known Ports"
Portarna 1024-49151 är "Registered Ports", kan vara reserverade för olika tjänster (ex: 1433 för Microsoft SQL Server, 6000 för fönstersystemet X11, 26000 för Quake)
Portarna 49152-65535 är dynamiska eller privata

Enkel nätverkskommunikation: Hämta en webbsida

Filen ShowURL.java:

import java.net.URL;
import java.net.URLConnection;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.IOException;

public class ShowURL {
    public static void main(String[] args) {
	try {
	    URL yahoo_url = new URL("http://www.yahoo.com/");
	    URLConnection yahoo_conn = yahoo_url.openConnection();
	    BufferedReader reader = new BufferedReader(
	        new InputStreamReader(
		    yahoo_conn.getInputStream()));
	    String buf;
	    while ((buf = reader.readLine()) != null) {
		System.out.println(buf);
		buf = reader.readLine();
	    } // while
	} // try
	catch (java.net.MalformedURLException e) {
	    System.out.println("Fel på webbadressen");
	}
	catch (java.io.IOException e) {
	    System.out.println("Fel när webbsidan skulle hämtas");
	}
    } // main
} // ShowURL

En applet som hämtar en webbsida

Före knapptryckning:

Efter knapptryckning:

Filen ShowURLApplet.java:

import java.applet.*;
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import java.net.*;
import javax.swing.*;

public class ShowURLApplet extends JApplet implements ActionListener {
    public void actionPerformed(ActionEvent event) {
	this.handle_button();
    } // actionPerformed

    private void handle_button() {
        try {
            URL yahoo_url = new URL("http://www.yahoo.com/");
	    getAppletContext().showDocument(yahoo_url);
        } // try
        catch (java.net.MalformedURLException e) {
            // Fel på webbadressen
        }
    } // handle_button

    public void init() {
	Container cp = getContentPane();
	cp.setLayout(new FlowLayout());

	JButton button = new JButton("Ladda YAHOO-sida");
	button.addActionListener(this);
	cp.add(button);
    } // init
} // ShowURLApplet

Appleten på riktigt (om det nu fungerar i din webbläsare):

Nätverkskommunikation med sockets

En server som lyssnar på port 2000 (mha ServerSocket)
En klient som kopplar upp sig mot den porten (så de får varsin Socket)
Användaren matar in rader till klienten...
klienten skickar varje rad till servern...
servern skriver ut raden, och skickar tillbaka den till klienten.

Filen Client.java:

import java.net.*;
import java.io.*;

public class Client {
    public static final int PORT = 2000;
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        InetAddress addr;
        if (args.length >= 1)
            addr = InetAddress.getByName(args[0]);
        else
            addr = InetAddress.getByName(null);

        Socket socket = new Socket(addr, PORT);
        System.out.println("Den nya socketen: " + socket);

        BufferedReader in = new BufferedReader(
            new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        PrintWriter out = new PrintWriter(
            new BufferedWriter(
                new OutputStreamWriter(
                    socket.getOutputStream())), true);
        // true: PrintWriter is line buffered

        BufferedReader kbd_reader = new BufferedReader(
            new InputStreamReader(System.in));

        String buf;
        while (true) {
            buf = kbd_reader.readLine();
            System.out.println("Från tangentbordet: " + buf);
            System.out.println("Till servern: " + buf);
            out.println(buf);
            String inline = in.readLine();
            if (inline == null)
                break;
            System.out.println("Från servern: " + inline);
        }
    } // main
} // Client

Filen Server.java:

import java.io.*;
import java.net.*;

public class Server {
    public static final int PORT = 2000;
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket s = new ServerSocket(PORT);
        System.out.println("Server-socketen: " + s);
        System.out.println("Servern lyssnar...");

        Socket socket = s.accept();
        System.out.println("Uppkoppling accepterad.");
        System.out.println("Den nya socketen: " + socket);

        BufferedReader in = new BufferedReader(
            new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        PrintWriter out = new PrintWriter(
            new BufferedWriter(
                new OutputStreamWriter(
                    socket.getOutputStream())), true);
        // true: PrintWriter is line buffered

        while (true) {
            String inline = in.readLine();
            System.out.println("Servern tog emot: " + inline);
            if (inline == null || inline.equals("quit")) // Not: inline == "quit"
                break;
            out.println("Du sa '" + inline + "'");
        }
    } // main
} // Server

Körexempel, klienten:

bimbatron > java Client localhost
Den nya socketen: Socket[addr=localhost/127.0.0.1,port=2000,localport=34029]
apa
Från tangentbordet: apa
Till servern: apa
Från servern: Du sa 'apa'
morot
Från tangentbordet: morot
Till servern: morot
Från servern: Du sa 'morot'
quit
Från tangentbordet: quit
Till servern: quit
bimbatron >

Körexempel, servern:

bimbatron > java Server
Server-socketen: ServerSocket[addr=0.0.0.0/0.0.0.0,port=0,localport=2000]
Servern lyssnar...
Uppkoppling accepterad.
Den nya socketen: Socket[addr=/127.0.0.1,port=34029,localport=2000]
Servern tog emot: apa
Servern tog emot: morot
Servern tog emot: quit
bimbatron >

Problem

Både servern och klienten är enkeltrådade:

Klienten kan antingen vänta på inmatning från användaren (dvs tangentbordet), eller från servern, men inte båda.
Servern kan bara vänta på inmatning från en enda klient.

Lösningen är förstås att ha flera trådar: två trådar i klienten, och en tråd per klient i servern.

Nästa gång

Flera trådar för I/O
Trådad chat-server med trådad chat-klient
Kommunikationsprotokoll
JDBC (för att prata med databaser)